Filho de um engenheiro, ficou órfão de mãe com dois anos de idade e teve uma infância difícil. Foi entregue aos cuidados dos avós sendo criado na Quinta da Vitória, na freguesia de Camarate, nos arredores de Lisboa.

Desde 1908, data da publicação dos seus primeiros oito contos na revista Azulejos, que se reivindica como ficcionista.

Em 1911,foi para Coimbra e matriculou-se na Faculdade de Direito, nas interrompeu os estudos. Em 1912 iniciou sua amizade com Fernando Pessoa. Nesse mesmo ano, com o apoio financeiro do pai, foi para Paris e matriculou-se na Faculdade de Direito. 
Nessa época, publicou um livro de contos, “Princípio”.

A partir de 1913 começa a escrever poesia e em 1914 publica a novela “A Confissão de Lúcio” e o seu livro de poemas “Dispersão”. Nesse mesmo ano inicia, em colaboração com alguns amigos, entre os quais se destacam Fernando Pessoa e Almada Negreiros, a revista Orpheu, que é publicada no ano seguinte e provoca grande agitação na comunidade luso-brasileira.
A nova publicação revela tendências do simbolismo e do decadentismo até às novíssimas correntes estético-literárias como o futurismo. 

Depois de Paris a vida de Mário de Sá-Carneiro mudou radicalmente, após seu pai entrar em falência e cortar a mesada que o sustentava.

Além da dificuldade financeira e da crise geral que todos passavam Mário de Sá-Carneiro chegou a pensar em suicídio. Possibilidade que comentara com os amigos, inclusive com Fernando Pessoa, com quem se correspondia, sem que ninguém lhe desse muito crédito.

Mário de Sá-Carneiro suicidou-se no Hotel de Nice, em Paris, no dia 26 de abril de 1916, com apenas 26 anos.