Женат на Вере Сергеевне Усачёвой (урождённая Назарова) из Калининграда. У них есть дочь Женя. Мать Юрия, Анна Григорьевна Усачёва (работала техником на фабрике), проживает в Донецке, отец (шахтёр) умер. У него есть старший брат и сестра-близнец, пятью минутами старше его. Он увлекается фотографией.
Окончил среднюю школу № 5 в Донецке в 1975 году. В 1985 году получил диплом инженера в Московском авиационном институте, кафедра 608 «Проектирование аэрогидрокосмических систем».
В 1975—1976 годах работал на предприятиях Донецка. В 1976—1978 годах служил срочную службу в Советской Армии, сержант, командир отделения в химических войсках в Группе советских войск в Германии.
После окончания авиационного института Усачев распределён инженером в НПО «Энергия», где начал работать над ракетой-носителем «Энергия», участвуя в техническом решении вопросов выхода в открытый космос, будущего космического строительства.
В 1988 году прошёл медицинское обследование и приступил к специальным тренировкам, а в 1989 году он был зачислен кандидатом в отряд космонавтов НПО «Энергия». В 1991 году зачислен в отряд космонавтов. Проходил курс общей космической подготовки для работы на орбитальной станции «Мир». Был членом дублирующих экипажей экспедиций «Мир-13, 14 и 19».
Первый космический полёт совершил с 8 января по 9 июля 1994 года он работал бортинженером в составе 15-й основной экспедиции на космической станции «Мир» (командир экипажа В. М. Афанасьев, исследователь В. В. Поляков). Экипаж стартовал и приземлялся на космическом корабле «Союз ТМ-18». Продолжительность полёта составила 182 суток 00 часов 27 минут.
Второй космический полёт совершил с 21 февраля по 2 сентября 1996 года в роли бортинженера 21-й основной экспедиции на космической станции «Мир». Стартовал и приземлялся на космическом корабле «Союз ТМ-23»: взлёт с Юрием Онуфриенко и возвращение с Юрием Онуфриенко и Клоди Андре-Деэ. Продолжительность полёта составила 193 суток 19 часов 08 минут, совершил шесть выходов в открытый космос (один из наиболее высоких показателей выходов в космос в течение одного полёта за всю историю пилотируемой космонавтики).
Третий космический полёт состоялся в составе экспедиции на шаттле STS-101 с 19 мая по 29 мая 2000 года. Был специалистом полёта по программе сборки МКС. Продолжительность полёта составила 9 суток 20 часов 10 минут.
Четвёртый космический полёт совершил командиром экспедиции МКС-2, которая началась 8 марта 2001 года запуском шаттла STS-102, 9 марта 2001 года экипаж прибыл на МКС. Команда (астронавты США Джеймс Восс и Сьюзан Хелмс) работала в космосе на 167 дней 6 часов 42 минуты. Совершил один выход в открытый космос. 22 августа 2001 года экспедиция вернулась на Землю. В общей сложности Усачёв провел в космосе почти 553 суток и семь раз выходил в открытый космос.
В 2005 году покинул отряд космонавтов и стал работать начальником отдела в РКК «Энергия». С 2007 года — командир отряда космонавтов РКК «Энергия», при этом сам действующим космонавтом не является.
Юрий Усачев — популяризатор космонавтики. Свои впечатления от четырёх космических полетов он описал в книге «Дневник космонавта» — М.:Гелеос, 2004. Планирует продолжать писательскую деятельность.
Имеет множество наград от негосударственных общественных объединений, в частности — лауреат премии «Лунная радуга» Сергея Павлова по итогам 2007 года.