Великовский родился в Витебске в семье крупного еврейского коммерсанта, придерживавшегося религиозных традиций и ставшего активистом сионистского движения (впоследствии — одного из пионеров возрождения иврита на земле Израиля). Получил хорошее домашнее образование, хорошо знал Библию и еврейские традиционные тексты, немецкий и французский языки. Закончил с золотой медалью Московскую Императорскую гимназию, но в Московский университет сразу не попал из-за еврейского происхождения; однако, проучившись год в Эдинбурге, в начале Первой мировой войны стал студентом медицинского факультета. Параллельно с медициной он изучал в Москве юриспруденцию и древнюю историю. После революции Великовские бежали на юг, где Иммануил едва не был расстрелян белыми; в 1921 году он вернулся в Москву, восстановился в университете и получил диплом магистра медицины. В следующем году семья эмигрировала: родители в Палестину, а Иммануил в Берлин. В Берлине он изучал биологию, в Цюрихе и Вене — психоанализ и работу человеческого мозга. В Берлине же Великовский создал еврейский научный журнал «Scripta Universitatis», в котором сотрудничал также и А. Эйнштейн (он редактировал физико-математический том журнала) и вокруг которого объединились учёные, создавшие несколько позже Еврейский университет в Иерусалиме. Некоторое время жил в Палестине, где редактировал журнал Scripta Academica Hierosolymitana; летом 1939 года переехал в США, где и жил до смерти. Именно после переезда в США Великовский начал развивать своё своеобразное учение.
В книгах, изданных в 50—70-х гг. (The Worlds In Collision, The Earth In Upheaval, The Ages In Chaos, The Peoples Of The Sea, Ramses II And His Time, Oedipus-Akhnaton и др.) Великовский, полемизируя с эволюционными учениями Дарвина и Лайелла, выдвинул теорию влияния космических катастроф на геологические процессы и ход мировой истории. Апеллируя к данным археологии, астрономии, геологии и геофизики, истории, лингвистики, мифологии и фольклористики, и т. д., он пришёл к выводу, что активное преобразование рельефа Земли (образование гор, морей, ледников, пустынь, вулканическая деятельность) продолжалось вплоть до сравнительно недавнего времени, свидетелями чему были люди эпохи неолита, бронзового и железного веков.
Также утверждал, что многие значительные события древней истории, включая библейскую, были обусловлены и проходили на фоне катаклизмов в Солнечной системе: появлением новых планет (Венера), их коллизиями и смещением с орбит (Венера, Марс, Земля), изменением характеристик вращения (Земля) и, как следствие, сменой географических и климатических зон. Чтобы объяснить «ошибочную» интерпретацию и предание забвению подлинных событий последующими поколениями, Великовский использовал психоаналитическую терминологию, назвав это «глобальной амнезией» человечества, «вытеснением» травматических воспоминаний в область подсознания.
Великовский предположил, что традиционная хронология древних цивилизаций (основанная, по его утверждению, на ошибках ранних египтологов и не подвергавшаяся ревизии в свете позднейших открытий), содержит повторенный дважды период примерно в 600 лет, в результате чего исторические события и фигуры выступают дважды под разными именами. Объясняя таким образом отсутствие синкретизма (соответствия по времени) между египетскими и библейскими (ветхозаветными) источниками, он предложил альтернативную реконструкцию истории, что позволило ему согласовать некоторые до того не объясненные факты. В частности, он считал гиксов/гиксосов аравийскими племенами (библейские Амалекитяне), вторгшимися в Египет сразу вслед за Исходом евреев, а филистимлян и «народы моря» (в значительно более позднее время) — персидскими завоевателями и греческими наемниками, соответственно; отождествил Египетскую правительницу Хатшепсут с библейской царицей Савской, а её преемника на Египетском троне Тутмоса III, покорившего Сирию и Палестину (между концом XVI и серединой XV вв. до н. э.) — с библейским фараоном Шишаком (Шешонк, фараон XII ливийской династии, после 950 г. до н. э.), разграбившим Иерусалимский храм.
Великовский также полагал, что вследствие ошибок традиционной хронологии в истории появились целые цивилизации-«призраки». В частности, он считал, что империя хеттов никогда не существовала, являясь на деле халдейско-вавилонской цивилизацией более позднего периода. Он отождествлял хеттского царя Хаттусили с вавилонским царём Навуходоносором, и с другой стороны отождествлял их египетских противников — фараонов Рамсеса II и Нехо.
Идеи Великовского затронули существенные моменты в истории древних цивилизаций Средиземноморья и Междуречья, включая Египет, Финикию, Сиро-Палестину, Иудею и Израиль, Грецию, Аккад, Ассирию, Вавилон, Персию и другие. Однако они встретили резкую критику со стороны научного сообщества. В Израиле за Великовским закрепилась репутация шарлатана. В США его книги выходили большими тиражами, сопоставимыми с тиражом книг А. Фоменко в России, и имели успех у широкой публики, хотя категорически отвергались учёными. Вокруг теорий и личности Великовского в США разразился скандал, получивший название «Дело Великовского» (англ. The Velikovsky Affair). Многолетняя враждебность научного сообщества привела Великовского к душевному кризису. В последние годы жизни он, вероятно, разочаровался в возможности переубедить оппонентов, хотя и не переставал развивать свои идеи.