西格蒙德·弗洛伊德于1856年5月6日出生在奥地利摩拉维亚（Moravia，现属捷克）的一个犹太人家庭。4岁时，弗洛伊德跟随家人迁居到维也纳，并在那里度过了他的大半生。
他的父亲是一个诚实善良的小商人，性格敦厚，喜欢助人为乐，这些因素对弗洛伊德的成长产生了很大影响。
弗洛伊德从小就显示出异于常人的非凡才智。在进入大学之前，他对成为政治家和研究进化论充满兴趣，但做一名医生是一个犹太人更好的职业选择。有一次，他在一名叫卡尔·布鲁尔教授的课上，听到卡尔·布鲁尔声情并茂地朗诵歌德论自然的散文，当时的情景使弗洛伊德心血来潮地下定决心要成为一名医科学生。因此，在他17岁那年，他凭借着自己的优异成绩，顺利地进入了维也纳大学医学院。
在大学期间，他花费大量时间去学习生物学、病理学、医学、外科手术等课程，度过了一段愉快的学习生涯。1881年3月，弗洛伊德拿到了医学博士学位。本打算在大学里从事神经医学研究的他，却因为自己的犹太背景而无法遂愿。于是，他只好选择在艾内斯特·布吕克教授的生理实验室从事理论研究，并在这一时期结识了他日后的重要合作伙伴——约瑟夫·布洛伊尔（Joseph Breuer）。
不久后，弗洛伊德在布吕克的建议下离开了生理实验室，并于1882年7月进入维也纳全科医院任外科医生。1883年5月，他又转入精神病治疗所任副医师。两年后，他又被维也纳大学医学院任命为神经病理学讲师。这一时期，弗洛伊德在与布洛伊尔共同工作期间，对精神分析产生了浓厚的兴趣。布洛伊尔不仅在工作和生活等方面为弗洛伊德排忧解难，而且还教会了弗洛伊德去探索新的方法治疗歇斯底里症。比如，他从布洛伊尔的病人安娜·欧的病例中学会了催眠及宣泄疗法。
1885年8月，布吕克教授帮助弗洛伊德获得了一笔数额可观的留学奖学金，使他得以前往巴黎在沙可门下学习催眠，并在沙尔彼得里哀尔医院获得了一份实习工作。1886年2月，弗洛伊德返回维也纳，并在同年9月与订婚四年之久的马莎·伯莱斯完婚。二人在婚后共养育了三男三女，其中的安娜·弗洛伊德后来效仿自己的父亲，也成了一名极具声望的心理学家。
在师从沙可期间，弗洛伊德在沙可的思想影响下，将自己的研究方向从躯体转到了心理，他也从一个神经学家摇身一变成了精神病理学家。
1895年，弗洛伊德与布洛伊尔合作，将他们对歇斯底里症的研究成果写成《歇斯底里研究》一书，这为弗洛伊德创立精神分析学奠定了理论基础。
1897年，弗洛伊德开始了对自我分析的研究，他认为自我分析的关键就在于对梦进行解析。他提出了人的心理障碍源于性紧张的积累的观点。他将自我分析的结果写成了《梦的解析》一书，并于1900 年出版。时至今日，这本书仍旧被人们认为是弗洛伊德最伟大的著作。
《梦的解析》一经出版，精神分析学便蔚然兴起，很多痴迷于这方面研究的年轻学者，纷纷聚集到弗洛伊德的身边。他们成立了星期三心理研究小组（也称维也纳精神分析小组），并于1902 年以此为基础，创立了心理分析学会。其中的很多人都在这一领域取得了显赫的成就，譬如卡尔·古斯塔夫·荣格（Carl G. Jung）、阿尔弗雷德·阿德勒（Alfred Adler）等。
但这种愉快的合作局面并没有维持多久，这个研究小组就因为内部矛盾而名存实亡。尽管荣格被弗洛伊德视为自己的继承者，但荣格和阿德勒等人却与弗洛伊德的理念存在很大的分歧。他们在弗洛伊德的理论之外发展起自己的理论学说，这使弗洛伊德难以理解和接受。1911年，阿德勒离开了研究小组，创立了个体心理学。1914年，荣格与弗洛伊德决裂，创立了分析心理学。
1904年，弗洛伊德出版了《日常生活中的心理病理学》一书，探讨了种种有缺陷的心理作用。这可以说是他流传最广的著作。
1905年，他先后发表了《多拉的分析》《玩笑及其与无意识的关系》和《性学三论》三本重要著作。其中，《性学三论》一书因他表达了婴儿期性欲以及其与性颠倒和神经症之间关系的观点，致使他受尽了心理学、医学界的嘲讽，甚至有很多人将弗洛伊德视为一个淫秽念头充斥大脑的下流胚子。一些医学机构还联合起来，共同抵制和抨击弗洛伊德的研究理论，一时之间，他成了德国科学界最不受欢迎的学者。
但真理永远不会被掩埋在无知的土壤中。1909年，弗洛伊德应美国克拉克大学校长G.S.霍尔的邀请，到美国参加该校的20年校庆。弗洛伊德被校方授予名誉博士学位，并和美国心理学界的詹姆斯、卡特尔等中流砥柱会晤，这意味着弗洛伊德的精神分析学说赢得了国际社会的认可。
1913 年，弗洛伊德出版《图腾与禁忌》一书，提出了著名的“三大真理”：梦是无意识欲望和儿时欲望的伪装的满足；俄狄浦斯情结是人类通有的心理情结；儿童具有性爱意识和动机。这夯实了他的精神分析理论基础，成为重要性仅次于《梦的解析》的理论著作。
1919年，弗洛伊德为了更好地宣传精神分析理论，专门创办了一家国际性的出版公司，以出版发行这方面的书籍和杂志。他的威望也在这一时期达到了顶峰。
1920年，弗洛伊德的一个女儿不幸早逝，与此同时，他还对自己的两个参与战争的儿子充满了死亡的担忧。于是，他就在这一年创立了死本能理论。
1923年，他被诊断出患了口腔癌，这都是因为他嗜烟如命的习惯所致。在1923－1939年期间，他先后接受了33次手术，得以使他的生命延续下去。即使病痛和拒绝使用止痛药使他饱受折磨，但他并未因此而停止为病人诊疗和著述。
1933年，纳粹上台执政后开始大肆焚烧弗洛伊德的作品，并宣称他夸大性问题来毁灭灵魂。1938年，维也纳被纳粹占领，弗洛伊德的出版公司被纳粹查封，但对维也纳的迷恋使他始终不愿离开此地。不久后，他的女儿安娜·弗洛伊德被捕，在犹太人大屠杀的恐怖中，他只得前往伦敦避难。
1939年9月23日，弗洛伊德于伦敦病逝。