Среднее образование Вернадский получил в московской пятой гимназии (ныне московская школа № 91). В 1905 году был принят студентом в Московский университет, но с началом революции 1905 года продолжил образование в Германии во Фрайбургском и Берлинском университетах.
В 1910 году вернулся в Московский университет, где в числе его преподавателей были В. О. Ключевский и Р. Ю. Виппер. В следующем году в результате «дела Кассо» молодой ученый оставил работу в университете и уехал в Санкт-Петербург. В течение семи лет он преподавал Петербургском университете, а также успешно защитил магистерскую диссертацию «Русское масонство в царствование Екатерины II».
В период Гражданской войны (1917—1920) Вернадский преподавал в Перми, Киеве и в Симферополе. Эмигрировав из России в 1920 году, он жил и работал в Константинополе, Афинах и затем в Праге, где преподавал в Русском юридическом факультете Карлова университета, совместно с Н. С. Трубецким и П. Н. Савицким разрабатывал теорию евразийства, участвовал в семинаре «Seminarium Kondakovianum», названным в память об известном византинисте Н. П. Кондакове.
В 1927 году М. И. Ростовцев и Ф. Гольдер предложили Вернадскому стать научным сотрудником Йельского университета, которому требовался специалист по истории России. В 1946 году получил звание профессора русской истории того же университета; в 1956 году ушел на пенсию.
Книги Вернадского по истории средневековой Руси и татаро-монголов считаются классическими.