Родился 17 февраля (1 марта н. с.) в Петербурге в бедной семье (отец — портной, бывший крепостной, мать — крестьянка).
В четыре года потерял отца, мать стала работать прислугой в доме одной петербургской чиновницы.
Учился в приходской школе, затем в уездном училище, закончил образование в Петербургском учительском институте (1882).
В 1882 — 92 был учителем математики в провинциальных городах, до выхода в отставку в 1907 продолжал педагогическую деятельность в Петербурге.
Первые стихотворения, в которых присутствует влияние символистов, напечатал в 1884. Десять лет работы в провинции не прошли для него даром: он привез в Петербург начатый еще в 1882 роман «Тяжелые сны», который в 1895 был опубликован в «Северном вестнике».
В «Северном вестнике» в 1893 — 97 были помещены 17 его стихотворений (2 из них — переводы из Верлена), три рассказа («Тени»; «Червяк»; «К звездам»), пять статей на общественные темы, множество рецензий.
Уже находясь в Петербурге, он вошел в круг русских символистов, объединившихся вокруг журнала «Северный вестник» (Минский, Мережковский, Гиппиус, Бальмонт и др.). В 1895 — 96 выходят его первые сборники: «Стихи. Книга первая», «Тени. Рассказы и стихи». Сологуб занимает в литературе «такое свое место, что не признавать его сделалось нельзя» (З. Гиппиус).
Выходят его книги стихов («Змий. Стихи. Книга шестая», 1907; «Пламенный круг», 1908) и рассказов («Книга разлук», 1908; «Книга очарований», 1909). В эти годы выступает и как драматург («Дар мудрых пчел», 1907; «Победа смерти» и «Ночные пляски», 1908, и др.).
Вершиной его прозы стал знаменитый роман «Мелкий бес», написанный в 1902 и опубликованный в 1907. Появление этого романа определило дальнейшую судьбу Сологуба : он смог выйти в отставку и заняться только литературным трудом. Он начинает писать роман «Навьи чары».
В 1910 — 1912 выходит Собрание сочинений Сологуба в двенадцати томах. Февральскую революцию приветствовал, Октябрьскую не принял, однако продолжал общественно-литературную деятельность. В марте 1918 был избран председателем Совета Союза деятелей художественной литературы. Издал свои демократические стихи разных лет (сборник «Соборный благовест», 1921).
Много занимается переводами. В 1924 избирается почетным председателем секции переводчиков в Союзе ленинградских писателей, в 1925 — председателем секции детской литературы, в 1926 — председателем правления Союза, входит в редколлегию «Всемирной литературы». В эти годы выпускает ряд сборников стихов. 5 декабря 1927 Ф. Сологуб скончался в Ленинграде.