Родился в Саратове в семье священника Гаврилы Ивановича Чернышевского (1793—1861). Учился дома под руководством отца, многосторонне образованного человека. В детстве он получил прозвище «библиофага», то есть пожирателя книг. Начитанность его поражала окружающих. В 1842 поступил в Саратовскую духовную семинарию, время пребывания в которой использовал в основном для самообразования: изучал языки, историю, географию, теорию словесности, русскую грамматику. Не закончив семинарию, в 1846 поступил в Петербургский университет на историко-филологический факультет.
За годы учёбы в университете были выработаны основы мировоззрения, Чернышевский сознательно готовит себя к революционной деятельности, делает первые попытки писать художественные произведения. В 1850 окончив курс кандидатом, получает назначение в Саратовскую гимназию и весной 1851приступает к работе. Здесь молодой учитель использует свое положение для проповеди революционных идей.
В 1874 году ему официально предложено освобождение, но он отказывается подать прошение о помиловании. Организатором одной из попыток освобождения Чернышевского из ссылки был Г. А. Лопатин. В 1875 освободить Чернышевского попытался И. Н. Мышкин. В 1883 Чернышевского перевели в Астрахань (по некоторым данным, в этот период переписчиком у него работал К. М. Фёдоров). Благодаря хлопотам семьи, в июне 1889 переезжает в Саратов, но уже осенью того же года умирает от кровоизлияния в мозг. Был похоронен в городе Саратове на Воскресенском кладбище.