Из семьи потомственных художников. Сын архитектора Н.Л. Бенуа, внук архитектора А.К. Кавоса, брат архитектора Л.Н. Бенуа и акварелиста Альб. Н. Бенуа, дядя художников Е.Е. Лансере и З.Е. Серебряковой. Окончил частную гимназию К.И. Мая. Художественное образование получил преимущественно в домашних условиях; в 1887 четыре месяца состоял вольноприходящим учеником вечерних классов ИАХ. В 1890–1894 учился на юридическом факультете Санкт-Петербургского университета. Одновременно осваивал акварель под руководством брата Альберта. Принимал участие в выставках Общества русских акварелистов (1893–1896, 1918), выставке мюнхенского Сецессиона (1898). После 1894 хранитель собрания рисунков и акварелей княгини М.К. Тенишевой. В начале 1890-х вместе с Л.С. Бакстом, Е.Е. Лансере создал кружок самообразования, ставший ядром будущего объединения «Мир искусства». Один из основателей и идеологов «Мира искусства», член редколлегии и заведующий ретроспективным отделом одноименного журнала. С 1899 постоянный участник выставок «Мира искусства». С 1903 член и экспонент (1908–1910) Союза русских художников. Преподавал историю стилей в Центральном училище технического рисования барона А.Л. Штиглица. Редактор журналов «Художественные сокровища России» и «Старые годы» (1901–1903). Работал в качестве иллюстратора. С 1900 работал как художник театра. Сотрудничал с Мариинским театром, МХТ. В 1907 вместе с С.П. Дягилевым возглавил директорат, руководивший организацией Русских сезонов в Париже, с 1909 заведовал их художественной частью. В 1914–1917 руководил работами по росписи интерьеров Казанского вокзала в Москве (не осуществлены). Входил в Комиссию по вопросам искусств в Петрограде (март 1917). После Октябрьской революции - член Всероссийской коллегии по делам музеев и охраны памятников искусства и старины, художественно-исторической комиссии Зимнего дворца, совета художественного отдела Государственного Русского музея. С 1918 - заведующий картинной галереей Эрмитажа. В 1917–1918 совместно с Максимом Горьким редактировал детские книги в издательстве «Парус». Руководил художественным отделом издательства «Всемирная литература». С 1919 - действительный член Государственной Академии истории материальной культуры, работал в Российской академии художественных наук (с 1921). В 1919 вошел в состав директории, управляющей делами бывшего Мариинского театра. Сотрудничал с Большим драматическим театром, Народным театром и Государственным академическим театром драмы (1920–1923) в Петрограде, антрепризой Дягилева, «Гранд-опера», театром-кабаре Н.Ф. Балиева «Летучая мышь» (1923-1925) в Париже. С 1925 работал как художник кино. В 1926 отправился во Францию по командировке от Эрмитажа; в Советский Союз не вернулся, оставшись в Париже. В эмиграции много и плодотворно работал как театральный декоратор. В 1927-1935 - главный художник балетной труппы Иды Рубинштейн. Оформлял спектакли «Комеди Франсез», Частной русской оперы, Национального оперного театра в Париже, Русского балета Дягилева в Монте-Карло, Государственной оперы в Мюнхене, театра Ла Скала в Милане и других. Продолжал также активно заниматься станковой живописью и графикой. Оставил мемуары и значительное эпистолярное наследие. Бенуа - крупнейший мастер русского искусства первой половины ХХ столетия, создавший свой стиль в станковой живописи, графике, книжной иллюстрации, сценографии. Крупные коллекции работ Бенуа хранятся в Государственном Русском музее, Государственной Третьяковской галерее, ГМИИ им. А.С. Пушкина.