Сын архитектора Н. Л. Бенуа. Учился в Академии художеств (1887), основные навыки живописи получил от брата Альберта, акварелиста и архитектора. Жил в основном в Петербурге. Был главным идеологом журнала «Мир искусства» (1898-1904), позднее стал инициатором создания одноименного общества.
Пребывая в романтической оппозиции к современности, всегда вдохновлялся стариной, черпая сюжеты для своих акварелей и гуашей в 18 в. и раннем 19 в. Во время частых поездок во Францию создал большую акварельную серию «Последние прогулки Людовика XIV» (1897-98, Русский музей и др. собрания), меланхолично-элегическую по тону, надолго утвердившую за ним славу «певца Версаля и Людовиков». В 1907-10 выполнил серию гуашей для издания «Русская история в картинках» (Санкт-Петербург, 1910); его исторические образы («Парад при Павле I», гуашь, 1907, Русский музей) впечатляют достоверностью живого, ироничного анекдота. В замечательных — благодаря своему тонкому, романтичному историзму — сериях иллюстраций к «Пиковой даме» (1899 и 1910, отдельное издание — Санкт-Петербург, 1911) и «Медному всаднику» А. С. Пушкина (1903-22; отдельное издание — Петроград, 1923) выступил как реформатор русской книжной графики.
Возглавлял художественную часть антрепризы С. П. Дягилева, активно участвуя в его «Русских сезонах». Работал как художник и режиссер Московского художественного театра (1913-15), Большого драматического театра и Театра оперы и балета (1919-25) в Ленинграде. В своей сценографии [балет Н. Н. Черепнина «Павильон Армиды» в Мариинском театре (1907), «Петрушка» И. Ф. Стравинского в театре Шатле в Париже (1911), «Маленькие трагедии» А. С. Пушкина в МХТ (1914-15, Бенуа здесь выступил также и как режиссер) и многие др. спектакли] продолжил традицию «живописного театра» 18-19 вв., придав ей новую драматическую остроту.
В 1894 дебютировал как историк искусства, написав главу о русских художниках для немецкого издания «История живописи XIX века» Р. Мутера (Мюнхен, 1894). Здесь, а также в «Истории русской живописи в XIX веке» (Санкт-Петербург, 1902) и «Русской школе живописи» (в 10 выпусках, Санкт-Петербург, 1904-06) впервые обстоятельно определил самобытные черты русской национальной художественной традиции на фоне других европейских школ. Монументальным вкладом в мировое искусствознание стала его 4-томная «История живописи всех времен и народов» (Санкт-Петербург, 1912-17). Постоянно выступал и как критик (наиболее значительны его статьи 1908-17 в газете «Речь»). Выражая тревогу по поводу отсутствия в современной культуре объединяющего «большого стиля», боролся против безвкусицы и варварского отношения к памятникам истории и искусства; выступал против русского авангарда с консервативно-охранительских позиций.
С 1917 активно участвовал в реформах художественной жизни и музейной работе (в 1918 возглавил Картинную галерею Эрмитажа). Но, разочаровавшись в Революции, в 1926 обосновался в Париже. Сохранив верность историко-ретроспективной эстетике «Мира искусства», много и плодотворно работал в театрах разных стран: парижской «Гранд-Опера» (1927-34), миланской «Ла Скала» (1947-56), где постановочную часть возглавлял его сын и ученик Н. А. Бенуа, театрах Лондона, Нью-Йорка, Вены и др. городов.
Иллюстрация к поэме "Медный всадник" 1903. Тушь.
Иллюстрация к поэме "Медный всадник" 1905-1916. Тушь.
Эскиз декорации к балету Стравинского «Петрушка» Театр «Ла Скара» Милан. 1946-1947 гг.
«За ним повсюду Всадник Медный…» Фронтиспис к «Медному всаднику» А.С. Пушкина. 
Деревня на берегу реки. Государственный русский музей
Эскиз декорации к балету А. Адана «Жизель». 
Поцелуй. 
Монтаньонла.
Деревенская улица. Нормандия.
Пир во время чумы. Государственная Третьяковская галерея
Эскиз декорации к Гуно «Фауст» Театр «Ла Скара» Милан. 1948-1949 гг
Эскиз декорации к балету Чайковского «Лебединое озеро» Театр «Ла Скара» Милан. 1963-1964 гг.
Эскиз декорации к опере Доницетти «Лючия ди Ламмермур» Театр «Ла Скара» Милан. 1946-1947 гг.
Дворец в Павловске. Библиотека.
Palace in Pavlovsk. The library
Водный театр в Версале. 
Итальянская комедия. «Любовная записка».
Масленица в Петербурге. Эскиз декорации к балету И.Ф. Стравинского «Петрушка».
Венецианский праздник XVII века, Эскиз декорации к балету К. Дебюсси «Празднества».
Сады Армиды. Эскиз декорации к балету Н.Н. Черепнина «Павильон Армиды».
Городская площадь. Эских декорации к комедии К.Гольдони «Веер».
Иллюстрация к поэме А.С. Пушкина «Медный всадник». 1905-1916 гг. Государственный русский музей.
