1853. március 30-án Groot Zundertben látta meg a napvilágot egy protestáns lelkipásztor legidősebb fiaként. Testvérei közül a legszorosabb kapcsolat négy évvel fiatalabb öccséhez, Theodoriushoz (Theo) fűzte, aki szellemileg és anyagilag is mindig segítette őt. (Levelezésüket máig kutatják, magyarázatot keresve a művész életének sorsfordulóira.) Több internátusban is megfordult, majd tizenhat évesen otthagyta az iskolát, és egyik nagybátyja támogatásával Hágában, Párizsban és Londonban dolgozott egy műkereskedő vállalkozásánál. 1877-ben Amszterdamba utazott, hogy teológiát tanuljon, két évvel később misszionáriusnak küldték egy bányászfaluba, ahol betegeket ápolt, gyerekeket tanított és szabadidejében rajzolt. A hely komorsága és szürkesége rányomta bélyegét első alkotásaira, tanúság erre Krumplievők című festménye.

Van Gogh 1880-ban úgy döntött, hogy ezentúl csak a festészettel foglalkozik. A brüsszeli művészeti akadémián tanult, de hazatérve összekülönbözött apjával, családjától egyre jobban eltávolodott és több szerelmi csalódás is érte. Egyedül öccse, a műkereskedő Theo tartott ki mellette, aki támogatta, műtermet szerzett neki, igyekezett képeit értékesíteni, igaz, sikertelenül. A két testvér 1886-tól közösen bérelt lakást Párizsban, ahol Vincent van Gogh olyan festőkkel kötött barátságot, mint Henri de Toulouse-Lautrec, Camille Pissarro és megismerte Paul Gauguint is. Életének erről az időszakáról keveset tudni, mert a két testvér együtt lakott, így nem váltottak levelet. Az bizonyos, hogy a festő ekkor hagyta maga mögött a komor színvilágot és érdeklődni kezdett a japán ukijo-e fametszetek iránt, amelyek hatása szembeötlő a Tanguy apó és a Virágzó szilvafa című festményein.

Két év múlva ráunt a nagyvárosi életre, erős vágyat érzett arra, hogy "a természetet fényesebb égbolt alatt lássa". 1888-ban a dél-franciaországi Arles-ba ment, ahol 190 merész színezésű képet alkotott, sárgára festett, bérelt háza a fontos dolgok és a boldogság jelképévé vált számára. Ekkor készültek legismertebb művei: a Gauguin karosszéke, a Napraforgók, a Vincent háza Arles-ban, a Roulin postás és a Virágzó fák. Barátja, Gauguin követte őt, több hónapig együtt laktak, festettek és ittak, de néhány hónap múlva összekülönböztek.

Van Gogh sokat szenvedett Gauguin szerinte fölényeskedő, lekezelő modorától és attól is rettegett, hogy barátja elutazik. Feltehetően ez a félelem robbantotta ki 1888. december 23-án azt a veszekedést, amelyben van Gogh pengével támadt barátjára, majd levágta saját bal fülét. A levágott testrészt megmosta és a helyi bordélyházban a következő szavakkal adta át egy prostituáltnak: "Őrizze meg jól ezt a tárgyat!" (Két német művészettörténész - Hans Kaufmann és Rita Wildegans - 2009-ben megjelent könyvükben amellett érvelnek, hogy van Gogh fülét a dulakodás közben Gauguin vágta le.)

Gauguin másnap Párizsba utazott, a magára maradt van Gogh álmatlanságtól és hallucinációktól szenvedett. Az őrültnek tartott festőt a szomszéd gyerekek kövekkel dobálták meg és kigúnyolták. Nyolcvanegy helybéli kérvényezte, hogy szállítsák kórházba. Van Gogh is tisztában volt állapotával, ezért maga kérte felvételét a közeli Saint-Rémi-de-Provence-ben található Szent Pál-apátság kórházába. Az itt töltött egy év alatt sem hagyott fel a festéssel, de színkezelése és formavilága elkomorodott. Többek között ekkor születtek a Két ciprus, Olajfák, Sárga búzamezők, Az arles-i nő című művei.

Felépülését követően, 1890 tavaszán a Párizshoz közeli Auvers-sur-Oise-ba költözött egy műpártoló doktorhoz, aki orvosi felügyeletét is ellátta. Utolsó nagy képei (Dr. Gachet arcképe, Varjak a búzamezőn, Van Gogh karosszéke, Önarckép levágott füllel) egy megtört, magányos, meg nem értett művészt mutatnak. Az alig 37 éves van Gogh 1890. július 27-én egyedül tett sétája közben mellen lőtte magát, sebesülésébe két nappal később, július 29-én belehalt. Halála után a pályatárs Camille Pissarro azt mondta: "Ez az ember vagy őrült volt, vagy megelőzött mindenkit, de nem tartom kizártnak, hogy mindkettő igaz".

Pszichológusok és művészettörténészek a mai napig vitatkoznak a festő betegségéről és művészetére gyakorolt hatásáról. Eddig több mint 30 különféle diagnózist állítottak fel, ezek között szerepel szkizofrénia, bipoláris zavar, a belélegzett festék miatti betegség, temporális lebeny epilepszia, ezek valamelyikéhez társulhatott a gyakori éhezés, az álmatlanság és a túlzásba vitt abszintfogyasztás.

Pályafutása során csupán egyetlenegy képet tudott eladni: A vörös szőlőhegy című festményét mindössze 400 frankért vették meg. Halála után viszont egyre nőtt a hírneve, a múlt század közepén már a festészet történetének legnagyobbjai között emlegették. Képei ma csillagászati összegekért kelnek el, némelyikért százmillió dollárnál is többet fizettek aukciókon. Műveinek legnagyobb gyűjteménye az amszterdami Vincent van Gogh Múzeumban található.

Halálának 125. évfordulója alkalmából a lengyel Breakthru filmstúdió elkészítette a világ első olajfestékkel készült animációs játékfilmjét, amely a festő életének utolsó nyolc évét meséli el.