سهراب سپهری، در ۱۵ مهر ۱۳۰۷، در کاشان به دنیا آمد. پدربزرگش میرزا نصرالله خان سپهری، نخستین رئیس تلگراف‌خانه کاشان بود. پدرش اسدالله و مادرش ماه‌جبین نام داشتند که هر دو اهل هنر و شعر بودند. کودکی خود را در کاشان در باغی بزرگ گذراند. این باغ که یکی از باغ‌های زیبای کاشان بود به اجداد وی تعلق داشت. در خاندان سپهری بزرگ مردانی ظهور کرده بودند که نامشان در تاریخ ادب و هنر ایران ثبت شده است. در میان اجداد پدری سپهری نام مورخ الدوله نویسنده ناسخ التواریخ بیش از همه معروف است.
دورهٔ ابتدایی را در دبستان خیام کاشان (۱۳۱۹)، و متوسطه را در دبیرستان پهلوی کاشان گذراند و پس از فارغ‌التحصیلی در خرداد ۱۳۲۲ در دورهٔ دوسالهٔ دانش‌سرای مقدماتی پسران، به استخدام ادارهٔ فرهنگ کاشان درآمد. در شهریور ۱۳۲۷ در امتحانات ششم ادبی شرکت نمود و دیپلم دوره دبیرستان خود را دریافت کرد. سپس به تهران آمد و در دانشکده هنرهای زیبای دانشگاه تهران به تحصیل پرداخت و هم‌زمان به استخدام شرکت نفت در تهران درآمد که پس از ۸ ماه استعفا داد.
سپهری در سال ۱۳۳۰ نخستین مجموعهٔ شعر نیمایی خود را به نام مرگ رنگ منتشر کرد. در سال ۱۳۳۲ از دانشکده هنرهای زیبا فارغ‌التحصیل شد و نشان درجه اول علمی را دریافت کرد. در همین سال در چند نمایشگاه نقاشی در تهران شرکت نمود و نیز دومین مجموعهٔ شعر خود را با عنوان زندگی خواب‌ها منتشر کرد. در آذر ۱۳۳۳ در ادارهٔ کل هنرهای زیبا (فرهنگ و هنر) در قسمت موزه‌ها شروع به کار کرد و در هنرستان‌های هنرهای زیبا نیز به تدریس می‌پرداخت.
سهراب به فرهنگ مشرق‌زمین علاقه خاصی داشت و سفرهایی به هندوستان، پاکستان، افغانستان، ژاپن و چین داشت. مدتی در ژاپن زندگی کرد و هنر «حکاکی روی چوب» را در آنجا فراگرفت. همچنین به شعر کهن سایر زبان‌ها نیز علاقه داشت؛ از این رو ترجمه‌هایی از شعرهای کهن چینی و ژاپنی انجام داد.
در مرداد ۱۳۳۶ از راه زمینی به کشورهای اروپایی سفر کرد و به پاریس و لندن رفت. ضمناً در مدرسهٔ هنرهای زیبای پاریس در رشتهٔ لیتوگرافی نام‌نویسی کرد. در دورانی که به اتفاق حسین زنده‌رودی در پاریس بود بورس تحصیلی‌اش قطع شد و برای تأمین خرج‌های زندگی و ماندن بیشتر در فرانسه و ادامهٔ نقاشی، مجبور به کار شد و برای پاک کردن شیشهٔ آپارتمان‌ها، گاهی از ساختمان‌های بیست طبقه آویزان می‌شد.
وی همچنین کارهای هنری خود را در نمایشگاه‌ها به معرض نمایش می‌گذاشت. حضور در نمایشگاه‌های نقاشی همچنان تا پایان عمر وی ادامه داشت. سهراب سپهری مدتی در اداره کل اطلاعات وزارت کشاورزی با سمت سرپرست سازمان سمعی و بصری در سال ۱۳۳۷ مشغول به کار شد. از مهر ۱۳۴۰ نیز شروع به تدریس در هنرکدهٔ هنرهای تزیینی تهران نمود. پدر وی که به بیماری فلج مبتلا بود، در سال ۱۳۴۱ فوت کرد. در اسفند همین سال بود که از کلیهٔ مشاغل دولتی به کلی کناره‌گیری کرد. پس از این سهراب با حضور فعال‌تر در زمینه شعر و نقاشی آثار بیشتری آفرید و راه خویش را پیدا کرد. وی با سفر به کشورهای مختلف ضمن آشنایی با فرهنگ و هنرشان نمایشگاه‌های بیشتری را برگزار نمود.
در سالیان آغازین دههٔ ۱۳۴۰ سپهری همراهِ داریوش آشوری به ترجمهٔ پاره‌هایی از مقالات و نمایشنامه‌های ژاپنی از روی نسخهٔ فرانسوی کمک کردند که در سال ۱۳۴۳ در کتابِ نمایش در ژاپن بهرام بیضایی چاپ شد.
سهراب هنرمندی جستجوگر، تنها، کمال طلب، فروتن و خجول بود که دیدگاه انسان مدارانه‌اش بسیار گسترده و فراگیر بود. از این رو آثار وی همیشه با نقد و بررسی‌هایی همراه بوده‌اند.
سهراب سپهری در سال ۱۳۵۸ به بیماری سرطان خون مبتلا شد و به همین سبب در همان سال برای درمان به انگلستان رفت، اما بیماری بسیار پیشرفت کرده بود و وی ناکام از درمان به تهران بازگشت. او سرانجام در غروب دوشنبه ۱ اردیبهشت سال ۱۳۵۹ در بیمارستان پارس تهران به علت ابتلا به بیماری سرطان خون درگذشت. طبق وصیتش او را به زادگاه خودش در مشهد اردهال منتقل نمودند و صحن امامزاده سلطان‌علی بن محمد باقر میزبان ابدی سهراب گردید.