Родился 28 октября (9 ноября н.с.) в селе Малые Дербеты (Ханская ставка) Астраханской губернии в семье ученого-естественника, орнитолога, одного из организаторов Астраханского заповедника. В 1898 семья переезжает в Казань, и Хлебников продолжает учебу в гимназии; определяются его пристрастия: орнитология, русская словесность, математика. Культурная атмосфера семьи способствовала быстрому интеллектуальному развитию будущего поэта, разносторонности его интересов: иностранные языки, рисование, литература. В последних классах гимназии начинает писать стихи.
В 1903 поступает на физико-математический факультет Казанского университета, сначала на математическое отделение, затем переводится на естественное. Решающим моментом стал переезд в 1908 в Петербург. Поступив в Петербургский университет на естественное отделение, а затем перейдя на историко-филологическое, он вскоре окончательно расстается с университетом. Судьба определилась — литература и философско-математические изыскания.
Хлебников привлекал к себе внимание и вызывал интерес оригинальным складом личности, поражал мировоззрением и редкой для его возраста самостоятельностью взглядов. Знакомится с кругом столичных поэтов-модернистов (в том числе Гумилевым и Кузминым, которого называет «своим учителем»), посещает знаменитую в художественной жизни Петербурга тех лет «баню» Вяч. Иванова, где собирались писатели, философы, художники, музыканты, артисты. Устанавливаются дружеские отношения с молодыми художниками (Хлебников был одаренным художником). Однако сближение с символистами и акмеистами было кратковременным. Уже в те годы он разрабатывает свою поэтику.
Первое опубликованное при содействии В. Каменского произведение Хлебникова — стихотворение в прозе «Искушение грешника» (1908). Знакомство и сближение Хлебникова с Каменским, Д. и Н. Бурдюками, А. Крученых, Е. Гуро, М. Матюшиным и несколько позже (в 1912) с Маяковским приводит к образованию группы футуристов или, как называл их Хлебников, ревниво оберегавший русский язык от иностранных слов, «будетлян» (глашатаев будущего).
В футуристических сборниках «Садок судей», «Пощечина общественному вкусу», «Дохлая луна» важное место занимают произведения Хлебникова. В 1910-1914 были опубликованы его стихотворения, поэмы, драмы, проза, в том числе такие известные, как поэма «Журавль», стихотворение «Мария Вечора», пьеса «Маркиза Дезес». В Херсоне вышла первая брошюра поэта с математико-лингвистическими опытами «Учитель и ученик».
Его жизнь была заполнена переездами из города в город; у него не было дома, службы и денег. В Харькове и Ростове, в Баку и Москве он жил у друзей, знакомых и просто случайных людей. Но везде он одержимо работает, пишет, размышляет и исследует. Ученый и фантаст, поэт и публицист, он полностью поглощен творческим трудом. Написаны поэмы «Сельская очарованность», «Жуть лесная» и др., пьеса «Ошибка смерти». Выходят книги «Ряв! Перчатки. 1908 — 1914″, «Творения» (Том 1).
В 1916 вместе с Н. Асеевым выпустил декларацию «Труба марсиан», в которой было сформулировано хлебниковское разделение человечества на «изобретателей» и «приобретателей». Главными героями его поэзии были Время и Слово, именно через Время, зафиксированное Словом и превращенное в пространственный фрагмент, осуществлялось для него философское единство «пространства-времени». О. Мандельштам писал: «Хлебников возится со словами, как крот, между тем он прорыл в земле ходы для будущего на целое столетие…»
В 1920 живет в Харькове, много пишет: «Война в мышеловке», «Ладомир», «Три сестры», «Царапина по небу» и др. В городском театре Харькова происходит «шутовское» избрание Хлебникова «Председателем Земного шара», с участием Есенина и Мариенгофа.
В 1921 приезжает в Пятигорск, где работает в Терской РОСТА ночным сторожем. В газете были напечатаны его поэмы «Ночь перед Советами», «Прачка», «Настоящее», «Ночной обыск».
В конце 1921 после долгих скитаний тяжелобольным возвращается в Москву в надежде на издание своих произведений. Немного оправившись, встречается с Маяковским, Каменским и другими поэтами. В дружеском общении приводит в порядок свои черновые записи и завершает ряд привезенных им стихотворений и поэм, среди которых «Уструг Разина», математический трактат о «законах времени» и др.
В мае 1922 вместе с другом — художником П. Митуричем — едет в деревню Санталово Новгородской губернии. Там он тяжело заболевает. 28 июня «честнейший рыцарь поэзии», как назвал его Маяковский, умер.
В 1960 прах поэта был перевезен в Москву и похоронен на Новодевичьем кладбище.