Родился 1 (13) января 1835 года в Перми, его отец Пётр Прокопьевич (1795—1843) и дед Прокопий Данилович (1764 — после 1811) Верещагины были иконописцами. Брат художников Петра (1834—1886) и Митрофана (1842—1894) Верещагиных. Начальное образование получил в уездном училище, живописи обучился у деда И. В. Бабина и у А. У. Орлова, принявшего активное участие в его судьбе.
Первоначальное художественное образование получил у местного иконописца; но в 1856 году поступил в Академию художеств учеником А. Т. Маркова. В течение шестилетнего пребывания в Академии он получил все академические медали. За программу «Великая княгиня Софья Витовтовна на свадьбе у великого князя Василия Тёмного…» удостоен золотой медали 1-го достоинства и звания классного художника 1-й степени.
Отправившись за границу пенсионером Академии, Верещагин посетил все важные художественные центры, но главным образом работал в Риме, изучая и копируя картины старых мастеров. Возвратившись в Петербург в 1869 году, он представил в Академию в виде отчёта о своих заграничных занятиях картины: «Святой Григорий Великий проклинает умершего монаха за нарушение обета бессеребрия» (1862; ГРМ), «Свидание заключённого со своим семейством» (1868; ГТГ, повторение — ПГХГ), «Ночь на Голгофе» (1869; ГРМ), «Молитва святой Анны, матери пророка Самуила» (1864, Большая золотая медаль на Всемирной выставке в Париже — 1867; ПГХГ), три портрета, две большие картины и двадцать акварелей, за что и сделан профессором портретной и исторической живописи. Более 20 лет преподавал в Академии рисунок и композицию.
В 1870 году Верещагин отправился снова в Рим, а по возвращении в Петербург занялся исполнением стенной декорации дворца великого князя Владимира Александровича на темы из русской народной поэзии. Написал картины «Илья Муромец на пиру у князя Владимира» (1872), «Алёша Попович», «Бой Добрыни со Змеем Горынычем», «Деву-зарю» и «Овсень», в огромных размерах, на особом рубчатом полотне в подражание гобеленам; — получил за них золотую медаль на Всемирной выставке в Вене (1873).
К наиболее замечательным произведениям его следует причислить: «Крещение святого Владимира», «Водворение христианства в Киеве» и «Закладка десятинной церкви». Эти последние картины находятся в церкви дворца великого князя Владимира Александровича. Капитальными трудами Верещагина являются работы его в храме Спасителя в Москве (1875—1879), а также для Успенского собора Киево-Печерской лавры. Также выдающиеся его картины: «Снятие со креста», «Римские девочки», «Чучар», «Ау!». В 1891 году Верещагин издал «Альбом историй государства Российского в изображениях державных его представителей». На академической выставке 1891 года находилась большая картина Верещагина «Защитники Свято-Троицкой Сергиевской лавры в 1608 году» (1891; ГРМ). Им исполнено несколько литографий, а именно: «Святополк Окаянный, преследуемый тенями своих братьев», «Святая, держащая крест перед открытою пастью медведя», «Три львиные головы».
Умер 23 октября 1909 года.
Святой Григорий проклинает умершего монаха за нарушение обета бессеребрия
Свидание заключённого со своим семейством
Ночь на Голгофе
Защитники Свято-Троицкой Сергиевской лавры в 1608 году