Родился в богатой дворянской семье в селе Воскресенское (Поповка) Подольского уезда Московской губернии (ныне — поселок Птичное, Троицкий административный округ города Москвы). Крещен 23 сентября 1817 года в церкви Харитоновской в Огородниках при восприемстве А. З. Дурасова, бабушки Е. П. Шепелевой, дяди А. А. Сухово-Кобылина и тетки С. И. Шепелевой.

В 1834 году в шестнадцатилетнем возрасте поступил на физико-математическое отделение философского факультета Московского университета. Изучал естественные науки и философию, в которой потом совершенствовался в Гейдельберге и Берлине. Получил золотую и серебряную медали за предоставленные на конкурс сочинения (одно математическое: «О равновесии гибкой линии с приложением к цепным мостам», другое — гуманитарного характера).

В доме отца, ветерана войны 1812 года, постоянно бывали молодые профессора Московского университета — Надеждин, Погодин, Максимович, Морошкин и другие, дававшие уроки его сестре, известной впоследствии писательнице Евгении Тур (графиня Салиас-де-Турнемир).

Много путешествовал и во время пребывания в Париже свёл роковое для него знакомство с Луизой Симон-Деманш, ставшей его любовницей.

Сидя в тюрьме, он от скуки и чтобы немного отвлечься от мрачных мыслей создал свою первую и самую популярную пьесу. «Свадьба Кречинского», написанная в 1850—1854 годах, возбудила всеобщий восторг при чтении в московских литературных кружках, в 1856 году была поставлена на сцену в бенефис Шумского в Малом театре и стала одной из самых репертуарных пьес русского театра. Все три пьесы трилогии («Свадьба Кречинского», «Дело», «Смерть Тарелкина») изданы в 1869 году под заглавием: «Картины прошедшего».

В 1871 году Сухово-Кобылин по совету К. Д. Ушинского устроил в своём имении Новое Мологского уезда Ярославской губернии, куда он часто приезжал, учительскую семинарию, существовавшую до 1914 года и выпустившую сотни учителей. После пожара семинария была переведена в Углич (ныне это Угличский педагогический колледж). В Новом сохранились дом и парк усадьбы Сухово-Кобылина.

А. В. Сухово-Кобылин. Портрет работы В. А. Тропинина. 1847 г.

Значительная часть философско-мистических рукописей престарелого Сухово-Кобылина была уничтожена пожаром в ночь на 19 декабря 1899 года в родовой усадьбе Кобылинка (ныне Кобылинский хутор Плавского района). Уцелевшие и восстановленные рукописи составили корпус текстов «Учение Всемира».

В 1900 году он переехал во Францию и поселился вместе со своей дочерью от Нарышкиной — Луизой в Больё-сюр-Мер, недалеко от Ниццы, где и скончался 24 марта 1903 года от воспаления легких. Был похоронен на местном кладбище.