Родился 12 (24) января 1893 года в Санкт-Петербурге в семье преподавателя математики. Ещё гимназистом стал печататься в журнале «Весна». Учился в Петербургском университете на историко-филологическом факультете, посещал лекции таких известных учёных, как академики Крачковский и Бодуэн де Куртенэ. Зачитывался книгами Василия Розанова, повлиявшими на формирование его собственного стиля.
 После начала Первой мировой войны осенью 1914 года ушёл добровольцем в армию. В 1915 году вернулся в Петроград, где служил в школе броневых офицеров-инструкторов. В этот период с группой единомышленников (Л. П. Якубинский, Е. Д. Поливанов, О. М. Брик и др.) он готовил первый и второй выпуски «Сборников по теории поэтического языка» (1916, 1917), куда вошли и ставшие впоследствии хрестоматийными работы самого Шкловского «О поэзии и заумном языке» и «Искусство как приём». В 1916 году Шкловский стал одним из зачинателей «Общества изучения теории поэтического языка» (ОПОЯЗ), объединившего теоретиков формальной школы в литературоведении; ввёл термин «остранение». 
Принял активное участие в Февральской революции. Как помощник комиссара Временного правительства был направлен на Юго-Западный фронт, где 3 июля 1917 лично возглавил атаку одного из полков, был ранен в живот навылет и получил Георгиевский крест 4-й степени из рук Л. Г. Корнилова.
 В Петрограде Шкловский работал в Художественно-исторической комиссии Зимнего дворца и активно участвовал в антибольшевистском заговоре эсеров.
В конце 1918 года Шкловский решил больше не участвовать в политической деятельности. В начале 1919 преподавал теорию литературы в Студии художественного перевода при петроградском издательстве «Всемирная литература».  9 октября 1920 г. был избран профессором Российского института истории искусств и поселился в «Доме искусств». 
В 1921 и начале 1922 года он активно печатался в журналах «Петербург», «Дом искусств», «Книжный угол», отдельными оттисками издал ряд статей по литературоведению, опубликовал мемуарную книгу «Революция и фронт», участвовал в собраниях группы «Серапионовы братья», состоял членом правления Петроградского отделения Всероссийского союза писателей.
 1922 году начались аресты эсеров, и Шкловский 4 марта 1922, спасаясь от ареста, бежал в Финляндию. С апреля 1922 до июня 1923 года Шкловский жил в Берлине, где организовал журнал «Беседа». В 1923 году издал мемуарную книгу «Сентиментальное путешествие». 
В сентябре 1923 года Шкловский приехал в Москву. В 1928 году опубликовал сборник статей «Гамбургский счёт». В Москве Шкловский сблизился с футуристами Алексеем Кручёных и Маяковским. Участвовал в литературных дискуссиях 1920-х годов. Один из лидеров группы «ЛЕФ». 
В 1930 году Шкловский отказался от идей формализма и выступил с покаянной статьёй «Памятник научной ошибке». С 1930-х годов, вынужденный перейти к принципам более широкого социально-исторического исследования, выступал как критик современной литературы. С московскими впечатлениями связаны книги Шкловского «О Маяковском», «Встречи», мемуары «Жили-были» и другие, дающие яркую картину жизни московской творческой интеллигенции 1920-х годов.
Участвовал в травле Б. Л. Пастернака осенью 1958 года. 
В 1960-е годы Шкловский разрабатывал теорию кинематографа, много писал о Сергее Эйзенштейне и Льве Толстом. В 1962 году в составе писательской делегации посетил Италию. К тому времени на Западе возник интерес к работам Шкловского 1920-х годов. В 1970-е годы сотрудничал с телевидением, выступал рассказчиком в многосерийных передачах «Жили-были» (1972) и «Слово о Льве Толстом» (1978).
Умер в Москве на 92-м году жизни.