Nasceu na Fazenda Saudade, em Cantagalo (RJ), filho de Manuel Rodrigues da Cunha Pimenta e Eudóxia Alves Moreira da Cunha. Órfão de mãe desde os 3 anos de idade, Euclides passa a viver em casa de parentes em Teresópolis, São Fidélis e na cidade do Rio de Janeiro. Em 1883 ingressa no Colégio Aquino, onde foi aluno de Benjamin Constant Botelho de Magalhães, que muito influenciou sua formação introduzindo-lhe à filosofia positivista.

Em 1885, ingressou na Escola Politécnica e, no ano seguinte, na Escola Militar da Praia Vermelha, onde novamente encontra Benjamin Constant como professor.
Contagiado pelo ardor republicano dos cadetes e de Benjamin Constant, professor da Escola Militar, durante uma revista às tropas atirou sua espada aos pés do Ministro da Guerra Tomás Coelho. A liderança da Escola tentou atribuir o ato à "fadiga por excesso de estudo", mas Euclidesnegou-se a aceitar esse veredito e reiterou suas convicções republicanas. Por esse ato de rebeldia, foi julgado pelo Conselho de Disciplina. Em 1888, desligou-se do Exército. Participou ativamente da propaganda republicana no jornal A Província de São Paulo.

Proclamada a República, foi reintegrado ao Exército recebendo promoção. Ingressou na Escola Superior de Guerra e conseguiu ser primeiro-tenente e bacharel em Matemáticas, Ciências Físicas e Naturais.

Casou-se com Ana Emília Ribeiro, filha do major Frederico Sólon de Sampaio Ribeiro, um dos líderes da Proclamação da República.

Em 1891, deixou a Escola de Guerra e foi designado coadjuvante de ensino na Escola Militar. Em 1893, praticou na Estrada de Ferro Central do Brasil.
 
Durante a fase inicial da Guerra de Canudos, em 1897, Euclides escreveu dois artigos intitulados A Nossa Vendeia que lhe valeram um convite do jornal O Estado de São Paulo para presenciar o final do conflito como correspondente de guerra. Isso porque ele considerava, como muitos republicanos à época, que o movimento de Antônio Conselheiro tinha a pretensão de restaurar a monarquia e era apoiado por monarquistas residentes no país e no exterior.

Em Canudos, Euclides adota um jaguncinho chamado Ludgero, a quem se refere em sua Caderneta de Campo. Fraco e doente, o menino é trazido para São Paulo, onde Euclides o entrega a seu amigo, o educador Gabriel Prestes. O menino é rebatizado de Ludgero Prestes.
 
Euclides deixou Canudos quatro dias antes do final da guerra, não chegando a presenciar o desenlace final. Mas conseguiu reunir material para, durante cinco anos, elaborar Os Sertões: Campanha de Canudos (1902). Os Sertões foi escrito "nos raros intervalos de folga de uma carreira fatigante", visto que Euclidesse encontrava em São José do Rio Pardo liderando a construção de uma ponte metálica. O livro trata da Campanha de Canudos (1897), no nordeste da Bahia. Nesta obra, ele rompe por completo com suas idéias anteriores e pré-concebidas, segundo as quais o movimento de Canudos seria uma tentativa de restauração da monarquia, comandada à distância pelos monarquistas. Percebe que se trata de uma sociedade completamente diferente da litorânea. De certa forma, ele descobre o verdadeiro interior do Brasil, que mostrou ser muito diferente da representação usual que dele se tinha.

Euclides se tornou internacionalmente famoso com a publicação desta obra-prima que lhe valeram vagas para a Academia Brasileira de Letras e Instituto Histórico e Geográfico Brasileiro.

Divide-se em três partes: A Terra, O Homem e A Luta. Nelas Euclides analisa, respectivamente, as características geológicas, botânicas, zoológicas e hidrográficas da região, a vida, os costumes e a religiosidade sertaneja e, enfim, narra os fatos ocorridos nas quatro expedições enviadas ao arraial liderado por Antônio Conselheiro.
Em agosto de 1904, Euclides foi nomeado chefe da comissão mista brasileiro-peruana de reconhecimento do Alto Purus, com o objetivo de cooperar para a demarcação de limites entre o Brasil e o Peru. Esta experiência resultou em sua obra póstuma À Margem da História, onde denunciou a exploração dos seringueiros na floresta.

Ele partiu de Manaus para as nascentes do Rio Purus, chegando adoentado em agosto de 1905. Dando continuidade aos estudos de limites, Euclides escreveu o ensaioPeru Versus Bolívia, publicado em 1907. Escreveu, também durante esta viagem, o texto Judas-Ahsverus, considerado um dos textos mais filosófica e poeticamente aprofundados de sua autoria.

Após retornar da Amazônia, Euclides proferiu a conferência Castro Alves e Seu Tempo, prefaciou os livros Inferno Verde, de Alberto Rangel, e Poemas e Canções, de Vicente de Carvalho.
 
Visando a uma vida mais estável, o que se mostrava impossível na carreira de engenheiro, Euclides prestou concurso para assumir a Cadeira de Lógica do Colégio Pedro II. O filósofo Raimundo de Farias Brito foi o primeiro colocado, mas a lei previa que o presidente da república escolheria o catedrático entre os dois primeiros. Graças à intercessão de amigos, Euclides foi nomeado. Depois de sua morte, Farias Brito acabaria ocupando a cátedra em questão.
 
Foi eleito em 21 de setembro de 1903 para a cadeira 7 da Academia Brasileira de Letras, na sucessão de Valentim Magalhães, e recebido em 18 de dezembro de 1906 pelo acadêmico Sílvio Romero.
Sua esposa, Ana Emília Ribeiro, tornou-se amante de um jovem tenente, 17 anos mais novo do que ela, chamado Dilermando de Assis. Ainda casada com Euclides, teve dois filhos de Dilermando, um deles morreu ainda bebê. O outro filho era chamado por Euclides de "a espiga de milho no meio do cafezal", por ser o único louro numa família de morenos. Aparentemente, Euclides aceitou como seu esse menino louro. A traição de Anna desencadeou uma tragédia em 1909, quando Euclides teria entrado na casa de Dilermando, armado, dizendo-se disposto a matar ou morrer.Dilermando reagiu e matou-o. Foi julgado pela justiça militar e absolvido. Entretanto, até hoje o episódio permanece em discussão. Casou-se com Anna e o casamento durou 15 anos.

O corpo de Euclides foi velado na Academia Brasileira de Letras. O médico e escritor Afrânio Peixoto, que assinou o atestado de óbito, mais tarde ocuparia sua cadeira na Academia.
 
As versões sobre o desfecho da história abrigam diferentes hipóteses. A mais comedida defende que o escritor tenha sido vítima de uma emboscada, quando apenas queria resgatar seus filhos do ambiente libertino construído por Anna e Dilermando. A mais exasperante é a de que, movido pela humilhação da traição,Euclides, em defesa de sua honra, partira disposto a matar seu rival e vingar-se deAnna. Exímio atirador, Dilermando justificou seu ato como legítima defesa, alegando que Euclides agiu de forma premeditada, ao seguir armado à sua procura. Aos olhos da Justiça, o gesto de Dilermando foi leal, tanto que foi absolvido pelo júri popular.
A cidade de São José do Rio Pardo realiza todos os anos, entre 9 e 15 de agosto, aSemana Euclidiana, em memória do escritor que ali vivia quando escreveu sua obra-prima Os Sertões. São José do Rio Pardo tornou-se uma cidade turística conhecida como O Berço de Os Sertões.

Também em São Carlos celebra-se todos os anos, uma Semana Euclidiana, em homenagem ao escritor que morou na cidade entre 1901 e meados de 1903, ali terminando seu trabalho Os Sertões e o publicando em 1902.

A cidade de Cantagalo, berço natal de Euclides da Cunha, também mantém viva a memória do escritor, através de eventos e um museu dedicado a Euclides da Cunha e suas obras. Em 2009, ano do centenário de sua morte, a cidade de Cantagalo realizou o Seminário Internacional 100 Anos Sem Euclides. Na cidade, o Grupo Euclidiano de Atividades Culturais (GEAC) é o difusor do movimento.