Родился в семье причетника, в 1829—1835 годы обучался в Боровском духовном училище, а затем в Калужской духовной семинарии. Окончив её в 1840 году поступил в Московскую духовную академию. 14 ноября 1842 года на втором курсе обучения принял монашеский постриг, 1 августа 1844 года был рукоположён во иеромонаха. Окончил Академию в 1844 году со степенью кандидата богословия, был назначен смотрителем Суздальского духовного училища.
В 1852 году назначен настоятелем Ростовского Борисоглебского монастыря с возведением в сан архимандрита и смотрителем ростовских духовных училищ. В 1858 году стал настоятелем Воскресенского Новоиерусалимского монастыря. В 1860-е годы переехал в Москву, был в числе братии миссионерского Покровского монастыря, начал заниматься научной работой. 30 декабря 1874 года назначен настоятелем Данилова монастыря. Активно занимался палеографией, изучал древне-славянские и греческие богослужебные рукописи из собраний Румянцевского музея и Синодальной библиотеки.
При учреждении в Ярославской епархии Угличского викариатства, 1 мая 1888 года хиротонисан в Ростове Великом во епископа Угличского. Имел местопребывание в ростовском Спасо-Яковлевском монастыре, где скончался 20 июля 1893 года и погребен.
Сферой научных интересов архимандрита Амфилохия являлась славянская и греческая палеография. Он изучил и подготовил к изданию такие памятники как Галицкое Евангелие 1144 года, Струмицкий Октоих XIII века, Карпинский Апостол начала XIV века, Румянцевский Апокалипсис начала XIV века. Главным трудом Амфилохия в области греческой палеографии стало «Палеографическое описание греческих рукописей с IX по XVII в. определенных лет» (в 4 томах). В ходе своей научной деятельности собирал древние рукописи, которые после изучения передавал в публичные библиотеки (собрания рукописных книг из коллекции Амфилохия находятся в РГБ, Дмитровском краеведческом музее, отдельные материалы в РГАДА, а архив Амфилохия хранится в ГИМ).
Неоднократно получал за свои работы награды и премии:
Был почётным членом Санкт-Петербургской и Московской духовных академий, действительным членом Московского Археологического общества (с 1866 года), член-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук (с 1868 года) и других исторических и археологических обществ.