Apja báró Eötvös Ignác ( megh. 1838) főtárnokmester, anyja a magyarul nem beszélő Lilien Anna bárónő (megh. 1858) volt. Az első négy gimnáziumi osztályt magánúton végezte el, majd a budai katolikus királyi gimnáziumban tanult görög-latin nyelvet és kultúrát. Szellemi fejlődésére nagy hatást gyakorolt nevelője, Pruzsinszky József, aki a francia felvilágosodás híveként felkeltette a fiatal Eötvös érdeklődését a politika és a filozófia iránt. 1826 őszétől 1831-ig a Pesti Királyi Tudományegyetemen történelmet, bölcseletet és jogot hallgatott. Már 1831-ben aljegyző lehetett Fejér megyében, 1833-ban jogi vizsgát tett. 1835-ben a magyar udvari kancelláriához került, 1837-ben az eperjesi kerületi tábla közbírája lett. 1836-1837-ben beutazta Európát. Az 1939-1840-es országgyűlésen felsőházi tagként vett részt az ellenzék soraiban. 1841-ben, amikor gróf Széchenyi István a frissen induló Pesti Hírlap ellen heves támadásba lendült, Kossuth Lajos védelmére kelt, és megírta a „Kelet népe és Pesti Hírlap” című röpiratát. Felesége 1842-től Rosty Ágnes (megh. 1913), akitől öt gyermeke született. 1842-ben jelenik meg A karthauzi, Petőfi kedvenc magyar regénye. 1846-ban Eötvös ajánlására adta ki Hartleben A hóhér kötele című Petőfi-regényt. Eötvös 1847-ben az Összes versek kapcsán átfogó és helytálló képet vázolt a költőről. A forradalom kezdetén Petőfivel együtt tagja volt a Pest vármegyei Közbátorsági Választmánynak. A Batthyány-kormány vallás- és közoktatásügyi minisztere volt. Batthyány Lajos miniszterelnök lemondását követően, a szeptember 28-ai véres események (Lamberg grófnak a Lánchídon történt meglincselése) után Bécsbe utazott családjához, majd tovább ment Münchenbe, ahol folytatta történelmi és bölcseleti tanulmányait, és kizárólag az irodalomnak élt. 1853-ban tért haza, és buda villájába vonult vissza. 1860-ban a Kisfaludy Társaság elnöki, 1866 és 1871 között az MTA elnöki tisztségét töltötte be. 1861-től ismét komolyan részt vett a politikai életben. Pest városa országgyűlési képviselővé választotta, és Deák Ferenc politikai irányvonalát követte. Az Andrássy-kormányban ismételten vallás- és közoktatásügyi miniszter volt. Javaslatára fogadta el az országgyűlés az akkori Európában kivételesen liberális nemzetiségi törvényt (1868. 44. tc.). 1871 januárjában a heves parlamenti költségvetési vita közben lett rosszul. Ercsiben, a családi sírboltban temették el. Gyermekei közül négy érte meg a felnőttkort: Ilona, Jolán, Loránd, Mária.