Происходил из знатной московской дворянской семьи.
Отец — генерал-майор Григорий Гаврилович Ломоносов (1767—1810), командир Сводного гусарского полка, участник итальянского похода Суворова (1799), «неустрашимо храбрый» военачальник.
Брат — Николай Григорьевич Ломоносов (1798—1853), ему посвящено стихотворение «К Н. Г. Л — ву» с подписью «1...14—16» — псевдоним юного Пушкина.
Воспитывался первоначально в Московском благородном университетском пансионе, откуда в 1811 году перешел в Царскосельский лицей. Лицейское прозвище — Ломоносик, крот («Человек способный и умный, но еще более хитрый и пронырливый; в лицее по этим свойствам мы называли его „кротом“», писал М. А. Корф в своем дневнике).
По окончании Лицея с серебряною медалью (1817) был определен (вместе с Пушкиным) в Коллегию иностранных дел с чином титулярного советника. При жизни Пушкина был секретарем русских посольств в Вашингтоне, Париже, Копенгагене; впоследствии посланник в Бразилии, Португалии и Нидерландах. В 1818 году был определен к посольству в Вашингтоне, но в 1821 году вернулся в Петербург и в том же году отправился в Испанию, где был назначен состоять при поверенном в делах, графе М. Н. Булгари. Пробыв некоторое время в Мадриде, Ломоносов переведен был секретарем посольства в Париж, где оставался до 1829 года. В 1831 году поверенный в делах в Копенгагене, а в конце того же года первый секретарь посольства в Лондоне. В 1841 году Ломоносов был назначен посланником в Бразилию. За время его пребывания в Америке он объехал побережье ее от Рио-де-Жанейро до устья реки Амазонки и едва ли не первый познакомил русских с Южной Америкой. В «Современнике» за 1841 год помещена его статья под заглавием «События в области Пара». В 1848 году Ломоносов был переведен в Португалию. Посланник был любим королевой Марией да Глорией, жил на широкую ногу, обеды его славились в Лиссабоне — великий гастроном, он нашел себе повара-португальца, прежде служившего у римского папы, повар был искусник необыкновенный, только из риса умел готовить двадцать пять блюд, секрета которых, кроме него, не знал никто. В Португалии посоветовал Карлу Брюллову посетить Мадейру:"Он объяснил Брюллову, что до острова Святой Екатерины почти четыре тысячи миль, а до Мадейры неполных шестьсот, между тем и климатом и природой последняя не только не уступает бразильскому острову, но несравненно его превосходит".
С 1853 году по день смерти занимал пост чрезвычайного посланника и полномочного министра при Нидерландском дворе.
В свои частые приезды в Россию встречался с Пушкиным. Об одной из таких встреч — у А. Д. Гурьева — П. А. Вяземский писал жене 9 апреля 1828 из Петербурга. В сентябре 1828 Пушкин передал А. И. Тургеневу с уезжавшим в Лондон Ломоносовым шесть глав «Евгения Онегина» и другие произведения. По утверждению Вяземского, Пушкин «был не особенно близок к Ломоносову».