Окончил 3-ю Санкт-Петербургскую гимназию (1856) и историко-филологический факультет Санкт-Петербургского университета (1861).
В 1859 году вёл библиографический отдел в журнале «Рассвет» под редакцией В. А. Кремпина. В 1861—1866 был ведущим критиком и идейным руководителем журнала «Русское слово». За нелегальную статью-прокламацию «О брошюре Шедо-Ферроти», содержавшую призыв к свержению самодержавия («Низвержение благополучно царствующей династии Романовых и изменение политического и общественного строя составляет единственную цель и надежду всех честных граждан России»), с июля 1862 по ноябрь 1866 отбывал заключение в Петропавловской крепости. С августа 1863 года ему было разрешено продолжить литературные занятия.
В 1867—1868 годах сотрудничал в журнале «Дело» и «Отечественные записки». В статьях о художественной литературе в развитие «реальной критики» Н. А. Добролюбова трактовал художественные образы как объективное изображение социальных типов (статья «Базаров» о романе И. С. Тургенева «Отцы и дети», 1862; «Борьба за жизнь» о романе Ф. М. Достоевского «Преступление и наказание», 1867, и другие). Вёл борьбу с эстетством и эстетикой (статьи «Реалисты», 1864; «Пушкин и Белинский», «Разрушение эстетики», «Посмотрим!», 1865) как врагами «разумного прогресса», но впоследствии преодолевал нигилистическое отношение к «эстетике».
Отрицал значение творчества Пушкина: Пушкин, Лермонтов и Гоголь были для Писарева пройденной ступенью.
Перевёл на русский язык 11-ю песнь «Мессиады» Ф. Г. Клопштока, поэму Генриха Гейне «Атта Тролль».
Летом 1868 года Писарев с троюродной сестрой Марией Маркович, новым объектом своей страсти, и ее сыном отправился к Рижскому заливу на морские купания и 4 (17) июля 1868 года утонул в Дуббельне (Дубулты). Похоронен на Волковском кладбище в Санкт-Петербурге.
О влиянии статей Писарева, самого их задорного тона, щедро рассыпанных в них афоризмов, убийственных сравнений свидетельствовали в своих письмах и мемуарах многие писатели, журналисты, ученые; известно, по свидетельству Н. К. Крупской, что В. И. Ленин очень любил Писарева и взял с собой в ссылку в Шушенское его портрет.