Родился в семье отставного штабс-капитана Валентина Петровича Плеханова (1810—1873) и Марии Федоровны Белынской (1832—1881).
Окончил с золотой медалью военную гимназию в Воронеже, затем учился в юнкерском училище в Петербурге. В 1874 году поступил в Петербургский горный институт, за успехи имел Екатерининскую стипендию, в 1876 году был исключен «за невзнос платы».
В 1876 вступил в народническую организацию «Земля и воля», участник демонстрации у Казанского собора 6 декабря 1876; Получил известность как теоретик, публицист и один из руководителей «Земли и воли».
В 1879, после раскола «Земли и воли», организатор и руководитель «Чёрного передела». Во время ареста в Петербурге на Обводном канале во время рабочей стачки на Новой Бумагопрядильне (2 марта 1878) Н. С. Тютчев передал свои документы А. С. Максимову-Дружбинину (Г. В. Плеханову), что позволило тому скрыться, избежать каторги.
В 1880 году эмигрировал в Швейцарию.
В 1882 году перевёл на русский язык «Манифест Коммунистической партии» К. Маркса и Ф. Энгельса. В 1883 году основал первую российскую марксистскую организацию — группу «Освобождение труда».
В конце 1894 — начале 1895 годов по инициативе Плеханова был создан «Союз русских с.-д. за границей». В 1900—1903 участвовал в создании и руководстве газетой «Искра». В 1901 Плеханов — один из организаторов «Заграничной Лиги русской социал-демократии». Принял непосредственное участие в подготовке II съезда РСДРП. Фактически второй съезд РСДРП был учредительным съездом, так как неудачный I съезд не смог объединить социал-демократов.
На II съезде РСДРП 1903 года Плеханов сказал: «Если бы ради успеха революции потребовалось бы временно ограничить действие того или другого демократического принципа, то перед таким ограничением преступно было бы остановиться».
После II съезда РСДРП Плеханов разошёлся с Лениным и был долгое время одним из лидеров меньшевистской фракции РСДРП.
Во время первой революции 1905—1907 Плеханов оставался в эмиграции, оказавшись, таким образом, в стороне от активных революционных событий. В феврале 1905 в статье «Врозь идти, вместе бить», опубликованной в «Искре», Плеханов призывал к вооружённому восстанию в России, к тщательной подготовке этого восстания, особое внимание при этом обращал на необходимость агитации в армии.
В 1906—1907 годах выступал за участие социал-демократов в выборах в Государственную Думу, за блок с кадетами. Сотрудничал в общепартийной газете «Социал-демократ» и в большевистских изданиях («Звезда» и др.).
В Первую мировую войну Плеханов стал на сторону союзных стран, против Германии, призывал к борьбе с немецким империализмом. Стал «оборонцем», стоявшим на позициях социал-шовинизма. Был одним из основателей и руководителей социал-демократической группы «Единство».
Февральская революция позволила Плеханову вернуться в Россию после 37 лет изгнания. 31 марта на Финляндском вокзале приехавшего Плеханова от имени Петроградского Совета приветствовали Н. С. Чхеидзе, И. Г. Церетели, М. И. Скобелев.
После возвращения в Россию Плеханов не был допущен в Исполком Петроградского совета. Не был допущен туда и сторонник Плеханова Григорий Алексинский. Причиной была «оборонческая» (то есть просоюзническая) позиция Плеханова, не разделяемая деятелями Совета с антивоенной позицией.
Отстранённый от руководящей роли, Плеханов был вынужден ограничиваться редактированием своей газеты «Единство», где публиковал статьи с откликами на важнейшие политические события, вёл спор с оппонентами и идейными противниками. Плеханов поддерживал Временное правительство, был против «Апрельских тезисов» В. И. Ленина, назвав их «бредом».
К Октябрьской революции отнёсся отрицательно, так как считал, что Россия к социалистической революции не готова: «русская история ещё не смолола той муки, из которой со временем будет испечён пшеничный пирог социализма».
Предостерегал, что захват власти «одним классом или — ещё того хуже — одной партией» может иметь печальные последствия.
Автор работ по философии, социологии, эстетике, этике и истории общественной мысли России.
Г. В. Плеханов умер 30 мая 1918 года в Ялкала (Финляндия) и похоронен на «Литераторских мостках» Волковского кладбища в Санкт-Петербурге.
В посёлке Ильичёво (Ленинградская область), на границе охранной зоны бывшего дома-музея В. И. Ленина, на берегу озера Долгое (Длинное) сохранился бетонный фундамент длинного двухэтажного здания бывшего частного санатория «Питка-Ярви» (финское название озера «Долгое»). Этот санаторий — последний адрес в жизни Георгия Валентиновича, умершего здесь на 62-ом году жизни. С 1887 года он болел туберкулёзом, осенью 1917 года его здоровье серьёзно ухудшилось. 2 ноября утром его отвезли в Петроград во Французскую больницу Св. Марии Магдалины на 14 линии Васильевского острова. Откуда жена решила перевезти его в Финляндию, в санаторий доктора Циммермана, хорошего специалиста по лёгочным заболеваниям, которого ей рекомендовал профессор Сиротинин. 28 января 1918 года Плехановы покинули Петроград. В санатории Георгий Валентинович продолжал много работать над своей «Историей русской общественной мысли». Казалось, что наступило улучшение его здоровья. Но 18 марта началось кровотечение, которое не могли остановить несколько дней. Медленное угасание жизни. С 15 мая началась агония. С 20 мая состояние ухудшалось ежечасно. Бред, и 30 мая в 2 часа дня он умер от эмболии сердца, возникшей в результате обострения туберкулёза. 5 июня гроб с телом доставили в Петроград, и похоронили на Литераторских мостках рядом с могилой Белинского.
В 1921 году в одной из своих статей Ленин призвал изучать всё написанное Плехановым по философии, «ибо это лучшее во всей международной литературе марксизма».
Женат на Розалии Марковне Плехановой, урождённой Боград, родом из состоятельной еврейской семьи. В браке родилось 4 дочерей (первая умерла в возрасте 1,5 лет). Р. М. Плеханова в 1920-е гг. переехала из Франции в Ленинград, где участвовала в подготовке к печати архива Плеханова, дочери остались во Франции. Племянник жены, Я. Е. Боград — известный революционер, в честь которого был переименован посёлок Боград.