Родился в 1910 году в Саарбрюккене в семье фабриканта роялей Гвидо Шелленберга, где, кроме него, было ещё шестеро детей.
В 1923 году его родители, в результате войны оказавшись в стеснённом материальном положении, переселились в Люксембург, где находился филиал фабрики отца.
В 1929 году начал учиться в одном из университетов Рейнской области. После некоторых колебаний — сначала поступил на медицинский факультет — молодой Шелленберг решил по настоянию отца, склонного к экономическим и гуманитарным наукам, заняться изучением права.
Закончил в 1933 году юридический факультет Боннского университета. Один из преподавателей уговорил его вступить в НСДАП (билет № 4504508) и СС (Весна 1933/билет № 124817), объяснив, что это откроет ему путь к карьере. Доклады Шелленберга на тему развития германского законодательства привлекли внимание Рейнхарда Гейдриха, который предложил ему работу в своём ведомстве.
Шелленбергу также удалось войти в доверие к Гиммлеру. Однажды Шелленберг спас ему жизнь, дёрнув за руку, когда тот неосторожно прислонился в полёте к незапертой двери самолёта.
С его именем связаны все крупнейшие разведывательные операции Третьего рейха.
В 1938 по поручению Гейдриха Шелленберг разработал проект реформирования полицейского аппарата рейха, но проект был отклонён Гиммлером из опасения конфликта по этому вопросу с Гессом.
По признанию Шелленберга, бывший белогвардейский генерал Скоблин передал начальнику разведывательного бюро при германском МИДе Курту Янке и Гейдриху документы о возможном союзе генералитетов вермахта и РККА и заговоре против Сталина, которые впоследствии послужили основанием для «процесса Тухачевского». Сам Шелленберг принимал участие в передаче документов в Москву.
В сентябре 1939, в ходе Польской кампании — офицер для поручений при рейхсфюрере СС.
С 1 ноября 1939 по 1 июля 1941 возглавлял отдел Е (контрразведка) в IV управлении РСХА (гестапо). Его непосредственным начальником был Мюллер, с которым у Шелленберга отношения не сложились.
Осенью 1939 года Шелленберг провёл операцию, которая теперь называется Инцидент в Венло, по вскрытию методов работы секретных служб Великобритании, их взаимодействия со спецслужбами Нидерландов, связей с оппозицией в Германии. За успешное проведение операции Гитлер лично наградил Шелленберга Железным крестом I степени и пригласил на званый ужин в рейхсканцелярию.
2 июля 1941 года переведён в VI управление РСХА (внешняя разведка) и занял пост заместителя начальника управления, фактически возглавил работу управления. 24 февраля 1943 года утверждён в должности начальника VI управления.
С осени 1941 года Шелленберг стал разрабатывать планы заключения сепаратного мира с западными союзниками. Ему было известно о контактах американского банкира Сталфорта с Ульрихом фон Хасселем, которому сообщил, что президент Рузвельт готов протянуть руку немцам при условии физического устранения Гитлера.
В августе 1942 года сообщил о своих планах Гиммлеру. Тот сначала рассердился, но потом, успокоившись, поручил Шелленбергу продолжить работу в данном направлении.
Получив «добро» от Гиммлера, Шелленберг начал через посредников налаживать контакты с американской стороной, а также разрабатывать способы устранения Риббентропа. Наиболее успешным посредником Шелленберга стал князь Гогенлоэ, который сам искал пути к сепаратному миру. Он также являлся доверенным лицом СД. Гогенлоэ вступил в контакт с человеком, имевшим связи с американцами в Лиссабоне (в документах СД он значился как Альфонсо). Одним из условий, выдвинутых американской стороной, была передача Гитлера в руки союзников живым; в противном случае становилась невозможной его десакрализация.
В ноябре 1942 года Гогенглоэ удалось установить контакт с руководителем американских секретных служб в Европе Алленом Даллесом.
Шелленберг также организовал интригу против министра иностранных дел Риббентропа. Ему удалось создать в министерстве группировку во главе со статс-секретарём бригадефюрером СА Мартином Лютером. Однако из-за нерешительности Гиммлера время было упущено, Риббентроп узнал о существовании группировки, её члены, включая Лютера, были арестованы и отправлены в концлагеря.
Переговоры же с Даллесом провалились из-за сопротивления британской стороны. Тогда Шелленберг расширил круг потенциальных переговорщиков, начав искать контакты с представителями нейтральных стран.
Шелленберг принимал активное участие в ликвидации «Красной тройки» — части «Красной капеллы» на территории Швейцарии, которой руководил Шандор Радо (псевдонимы — Дора, Альберт). Ему удалось наладить контакты с начальником швейцарской секретной службы бригадным полковником Роже Массоном. Германия поставила швейцарской полиции пеленгаторы ближнего действия. Однако уже шёл 1943 год, а швейцарцы не «спешили» выполнить свои обещания по ликвидации «Красной тройки».
Чтобы «припугнуть» «нейтралов», был издан «бумажный приказ» о переброске горнострелкового корпуса под командованием генерала Дитля. На самом деле к границам Швейцарии была на время перемещена только часть штаба генерала Дитля и проведена имитация передвижения воинских соединений к границам Конфедерации, только после этого швейцарская полиция вынуждена была принять активные действия, и «Красная тройка» к концу 1943 года фактически перестала существовать.
После неудачи с контактами Гиммлера с германским Сопротивлением Шелленберг стал самостоятельно разрабатывать план похищения Гитлера, однако от этой идеи пришлось отказаться из-за утечки информации и тщательной охраны Гитлера.
В феврале 1944 года после расформирования абвера часть его подразделений перешла под контроль Шелленберга.
После самоубийства Гитлера прибыл вместе с Гиммлером в Фленсбург, где находилось новое правительство во главе с гросс-адмиралом К. Дёницем, причём Гиммлер планировал назначить Шелленберга помощником министра иностранных дел.
3 мая 1945 года Шелленберг прибыл в Копенгаген для ведения переговоров о мире при посредничестве Бернадота (Густав Адольф, герцог Вестерботтенский), а 6 мая вылетел в Стокгольм, имея официальные полномочия на заключение перемирия в Скандинавии. Однако английское командование отклонило посредничество шведского Красного Креста, и последняя миссия Шелленберга провалилась.
После капитуляции Германии Шелленберг некоторое время жил на вилле Бернадота в Швеции. Однако уже в июне 1945 года союзное командование добилось его выдачи как военного преступника. В качестве обвиняемого привлечён к суду Международного военного трибунала в Нюрнберге по делу Вильгельмштрассе. В ходе судебного разбирательства с него были сняты все обвинения, кроме членства в преступных организациях, а также причастности к расстрелам военнопленных. 11 апреля 1949 года приговорён к 6 годам тюремного заключения. В декабре 1950 года по состоянию здоровья досрочно освобождён. Жил в Швейцарии, а затем был вынужден переехать в Италию. К концу жизни тяжело болел, умер в возрасте 42 лет, в клинике Форнака (г. Турин), где готовился к операции на печени.