Родился в Санкт-Петербурге. Отец, незаконный сын помещика Полтавской губернии, был дворовым человеком, после отмены крепостного права портняжил в столице; умер в 1867, и вдова его нанялась в небогатую чиновничью семью «прислугой за всё». В доме интересовались театром и музыкой, водились книги, и Сологуб рано пристрастился к чтению. Как сообщалось в составленной его женой и выверенной им биографической справке (1915), «из первых прочитанных книг совершенно исключительное впечатление произвели Робинзон, Король Лир и Дон Кихот... эти три книги были для Сологуба своего рода Евангелием». Не менее существенно, что в отрочестве он прочел всего В. Г. Белинского («очень волновал и захватывал»), затем Н. А. Добролюбова и Д. И. Писарева. Н. А. Некрасова знал почти всего наизусть, в отличие от не столь занимавших его А. С. Пушкина и М. Ю. Лермонтова. Под знаком обостренно-личного восприятия Некрасова, чей настрой вполне отвечал сосредоточенности Сологуба на горестном ощущении «злой судьбы» бедняка, сложилось его представление о поэтическом творчестве, в 1880-х скорректированное с оглядкой на С. Я. Надсона и Н. М. Минского. Пройдя после приходской школы и уездного училища ускоренную педагогическую подготовку в Учительском институте, девятнадцатилетний Сологуб отправился с сестрой и матерью, предоставленными его попечениям, преподавать математику в глухую провинцию — в городок Крестцы Новгородской губернии (1882–1885), в Великие Луки (1885–1889), в Вытегру (1889–1892). Учительствовал он усердно и даже написал учебник по геометрии, однако не считал школьное преподавание достойным себя занятием. Стихи он писал с 12 лет, и, как гласит справка, «в юном поэте созрела твердая уверенность в своем призвании, в заложенных в него поэтических возможностях». Долгое время такая уверенность особых оснований не имела — за все годы пребывания в провинции Сологуб опубликовал в «журнальчиках» около десятка стихотворений; но с начала 1890-х положение стало меняться.

В 1891, наездом в столице, Сологуб свел знакомство с Минским, которого высоко чтил и даже через двадцать лет называл «идейным единомышленником». На его суд была представлена большая подборка стихотворений Сологуба (несколько сотен), и они пришлись весьма кстати. Поэты Минский, Д. С. Мережковский и З. Н. Гиппиус, критик А. Волынский и издатель Л. Гуревич были заняты преобразованием бывшего народнического журнала «Северный вестник» в духе «глубоко современного внутреннего перерождения», манифестом которого был трактат Минского «При свете совести». Мысли и мечты о цели жизни (1890) — по мнению его рецензента В. Соловьева, симптом «общей душевной болезни нашего времени». Живой иллюстрацией к этому трактату могли послужить стихи Сологуба 1880-х: их некрасовско-надсоновская тематика оформляется как философская под очевидным воздействием А. Шопенгауэра, в полной мере сказавшимся уже в 1890-е. Позднее Волынский даже окрестил Сологуба «подвальным Шопенгауэром», явно имея в виду «Записки из подполья» Ф. М. Достоевского: Достоевский был любимейшим автором Сологуба, и, что характерно, его религиозный пафос Сологуба ничуть не затронул, зато превращение «униженных и оскорбленных» в «подпольных» пакостников и озлобленных мечтателей, склонных к солипсизму, стало его универсальным сюжетом, лирическим, эпическим и драматическим. Все это вполне типично для декадентского мироощущения, и у Сологуба декадентство как нельзя более органично: оно оказывается новой ипостасью его социальной обездоленности, возведенной во вселенский масштаб и в метафизическое достоинство. Действительность обличается, отвергается и изничтожается; на ее месте возникает образ мироздания, в котором безраздельно царят «ложь и зло», в основном соответствующие «воле и представлению» Шопенгауэра. В этом ключе в 1890-е определяется потенциальное содержание и разрабатываются мифологемы (большей частью квазирелигиозные) творчества Сологуба. С 1892, переселившись в Петербург и продолжая преподавать в школе, он становится постоянным и плодовитейшим сотрудником «Северного вестника», где получает и свой «аристократический» псевдоним: им стала изуродованная для юридической безопасности известная графская фамилия. Стихи его обильно печатаются во многих петербургских журналах и газетах; он пишет «множество рецензий, заметок и статей», заканчивает и печатает в 1896 первый роман из провинциальной учительской жизни «Тяжелые сны»; с 1892 работает над вторым романом, где жизненный материал и тематика первого переоформляются под знаком бесовщины и в образах «пляски смерти». Выходят его сборники «Стихи. Книга первая» (1896) и «Тени. Рассказы и стихи» (1896). Как правило, Сологуба причисляли к зачинателям поэтического символизма, поскольку он выступал рядом с ними на страницах периодических изданий и пользовался среди них особенно высокой репутацией. Но, как замечает Волынский, Сологуб лишь «примыкал к ним», и добавляет: «...я лично не видел ничего символического в поэзии Сологуба... Это был не символист, а декадент в самом высоком смысле слова». При некоторой общности умонастроения существенные различия между Сологубом и символистами выявились в период его наибольшей популярности — в 1905–1914 и после 1917. Однако во время общественного подъема начала 1900-х и Минский, и Мережковский, и Бальмонт, и Белый, и Сологуб занимали близкие позиции на левом фланге революционных событий. При этом Сологуб, принципиальный богоборец, был гораздо последовательнее соратников: в его понимании вся действительность была игралищем злой воли, являющей миру двусмысленный образ Богодьявола, и вся подлежала изничтожению: «подвиг... поэта в том, чтобы сказать тусклой земной обычности сжигающее нет; поставить выше жизни прекрасную, хотя бы и пустую от земного содержания форму». В итоге «славнейший подвиг и величайшая жертва — подвиг, приводящий к смерти, жертва жизни». Разрушительный, богоборческий пафос вдохновляет бесчисленные «зажигательные» стихи Сологуба, появлявшиеся в сатирических журналах революционной поры «Зритель», «Сигнал», «Молот», «Вольница» и др. Своеобразную поэтическую экспозицию борьбы с реальностью мира представляют собой его самые знаменитые, шестой и седьмой стихотворные сборники «Змий» (1907) и «Пламенный круг» (1908). Его статья «Я. Книга совершенного самоутверждения» (1907) стилизована под библейские пророчества; программная поэма называется «Литургия мне» (1908). Сологуб выдвинулся в первый ряд литераторов и стяжал всеобщее читательское признание после публикации его законченного в 1902 второго романа «Мелкий бес», появившегося в 1905 в журнале «Вопросы жизни», а затем (1907) вышедшего несколькими изданиями и прочитанного, по словам Блока, «всей образованной Россией». Роман был воспринят как своевременное объяснение торжества реакции; мистификация обывательской стихии превращала российскую провинциальную действительность в некую дьяволическую свистопляску. Неподвластны ей оказывались лишь потаенные эротические игры отрока и отроковицы. Эту тему продолжают опубликованные в альманахах и сборниках новые романы «Навьи чары» (1907–1909) и «Дым и пепел» (1912–1913), в значительно переработанном виде объединенные под названием «Творимая легенда» и занявшие три последних тома 20-томного собрания сочинений Сологуба, законченного в 1914. Здесь всевластию обывательщины и мятежному разгулу противопоставляется апофеоз оторванного от действительности и сопричастного смерти творческого воображения. Скандальный успех романа был обусловлен его нарочитым эротизмом, критика это произведение единодушно осудила. В предвоенное время в центре внимания оказывается драматургия Сологуба, в которой мифологические и фольклорные сюжеты служат проповеди его излюбленных философических идей. Война и революции 1917 отодвинули творчество Сологуба далеко на задний план. Падению его славы и престижа способствовали его обильные ура-патриотические журнальные стихи, отчасти собранные в книге «Война» (1915). Февральскую революцию он восторженно приветствовал, большевистское переустройство действительности воспринял как очередное торжество зла и лжи, противопоставить которому можно было лишь упорное художественое творчество, что он и пытался делать в поэтических сборниках, включавших преимущественно новые стихи, — «Одна любовь» (1921), «Фимиамы» (1921), «Свирель» (1922), «Чародейная чаша» (1922), «Великий благовест» (1923). Выходили они ничтожными тиражами и никакого читательского интереса не вызывали. «Его никто не знал. Его нигде не ждали... Жизнь отвергала его», — вспоминал будущий председатель Союза советских писателей К. Федин. В справке сообщается, что «прилежная работа над стилем и языком склоняла Сологуба» к художественному переводу. До войны ему особенно удались переводы драм Г. Клейста, осуществленные совместно с женой, переводчицей и критиком А. Н. Чеботаревской (1876–1921), а также стихотворения П. Верлена (1908) — итог 17-летней работы. В 1923 его переводы из Верлена вышли в дополненном и переработанном (далеко не всегда удачно) виде. Большей частью он переводил с французского и немецкого. «Кандид» Вольтера и роман Мопассана «Сильна, как смерть» и поныне печатаются в его переводах.