据王氏族谱记载,其先祖于明代自江西徙居湖南衡阳西乡,居数世,后于宪宗成化年间迁居湘潭城外。王闿运生于道光十三年(1833年),少孤,为叔父教养。自幼资质驽钝但好学,《清史稿》说他“昕所习者,不成诵不食;夕所诵者,不得解不寝。”“经、史、百家,靡不诵习。笺、注、抄、校,日有定课。”9岁能文。稍长,肄业长沙城南书院。性高旷,不事营利。
咸丰七年(1857年),湖南补行壬子(咸丰二年)乙卯(咸丰五年)两科乡试,他中第五名举人,获学政张金镛赏识,一时颇负时誉。曾周旋于湘军将领间,受曾国藩厚待,但只为清客不受事。
咸丰九年(1859年),王闿运赴京师应礼部会试,落第,应肃顺聘,在其家任教读,甚受礼遇。不久辞去。十一年“祺祥政变”,肃顺等顾命八大臣被诛,他曾撰《祺祥故事》,为肃顺被杀辨解。
同治元年(1862年),王闿运入曾国藩幕,所议多不合,不久离去,以贫就食四方,专门从事讲学。光绪五年(1879年),王闿运应四川总督丁宝桢之邀来到成都,担任尊经书院山长,既爱护学生,又要求严格,每天有日记,每月有课卷,廖平、戴光等皆出其门下。王闿运后辞退回湖南,先后主持长沙思贤讲舍,衡州船山书院。光绪二十八年(1902年)主办南昌高等学堂,但不久即辞退回湘,在湘绮楼讲学授徒。前后得弟子数千人,有门生满天下之誉。
光绪三十二年(1906年),王闿运已是风烛残年的老人,湖南巡抚岑春萱上书表其德行,清政府授于他翰林院检讨的官职,宣统三年(1911年)又加封他为翰林院侍讲。民国三年(1914年)受袁世凯聘入国史馆任馆长,编修国史。兼任参议院参政,复辟声潮中辞归。民国五年(1916年),83岁高龄的王闿运在家乡无疾而终,自题挽联:“春秋表未成,幸有佳儿述诗礼;纵横计不就,空余高咏满江山。”逝世后,当时总统黎元洪亲作神道碑文,湖南、四川等省均致公祭之文,享誉极盛。
其为人狂狷谐谑,轶闻甚多。门生众多,在教育事业上颇有成就,较著名的弟子有杨度、夏寿田、廖平、杨锐、刘光第、齐白石、张晃、杨庄等。