Окончил курс Петербургского университета по историко-филологическому факультету. В течение двух лет слушал лекции в Гейдельбергском и Йенском университетах. Работал несколько лет в столичных школах. По приглашению К. Д. Ушинского стал одним из деятельных сотрудников «Журнала Министерства народного просвещения». Одновременно преподавал историю в Училище правоведения и был инспектором Приюта принца П. Г. Ольденбургского. Преподавал в Смольном институте благородных девиц.
Переехав в Тифлис в качестве воспитателя сыновей великого князя Михаила Николаевича, много сделал для развития женского образования в крае. Вернувшись в Петербург, способствовал улучшению дела воспитания глухонемых. В целом ряде работ ознакомил русское общество с идеями Яна Коменского.
Список 234 печатных работ Модзалевского — в «Русской Школе» (1897, № 3 и 4), в приложении к его автобиографии, изданной также отдельно (Санкт-Петербург, 1899). Главные его труды: «Быт студентов в Германии» (Санкт-Петербург, 1865), «Очерки истории воспитания и обучения» (Санкт-Петербург, 1866, 3-е изд., 1899), «К биографии Ушинского» (Санкт-Петербург, 1881), «Историческое значение христианства для воспитания» (Санкт-Петербург, 1892), «Амос Коменский» (Санкт-Петербург, 1892). Самые популярные песенки в «Родном Слове» Ушинского написаны Модзалевским, издавшим их с другими своими произведениями этого рода в сборнике: «Свирель» (Москва, 1878). Его стихотворение «Приглашение в школу» (1864) было переведено в 1878 году на азербайджанский язык Гасаналиага ханом Карадагским и включено в учебник «Вэтэн дили»: