据王氏族谱记载，其先祖于明代自江西徙居湖南衡阳西乡，居数世，后于宪宗成化年间迁居湘潭城外。王闿运生于道光十三年（1833年），少孤，为叔父教养。自幼资质驽钝但好学，《清史稿》说他“昕所习者，不成诵不食；夕所诵者，不得解不寝。”“经、史、百家，靡不诵习。笺、注、抄、校，日有定课。”9岁能文。稍长，肄业长沙城南书院。性高旷，不事营利。
咸丰七年（1857年），湖南补行壬子（咸丰二年）乙卯（咸丰五年）两科乡试，他中第五名举人，获学政张金镛赏识，一时颇负时誉。曾周旋于湘军将领间，受曾国藩厚待，但只为清客不受事。
咸丰九年（1859年），王闿运赴京师应礼部会试，落第，应肃顺聘，在其家任教读，甚受礼遇。不久辞去。十一年“祺祥政变”，肃顺等顾命八大臣被诛，他曾撰《祺祥故事》，为肃顺被杀辨解。
同治元年（1862年），王闿运入曾国藩幕，所议多不合，不久离去，以贫就食四方，专门从事讲学。光绪五年（1879年），王闿运应四川总督丁宝桢之邀来到成都，担任尊经书院山长，既爱护学生，又要求严格，每天有日记，每月有课卷，廖平、戴光等皆出其门下。王闿运后辞退回湖南，先后主持长沙思贤讲舍，衡州船山书院。光绪二十八年（1902年）主办南昌高等学堂，但不久即辞退回湘，在湘绮楼讲学授徒。前后得弟子数千人，有门生满天下之誉。
光绪三十二年（1906年），王闿运已是风烛残年的老人，湖南巡抚岑春萱上书表其德行，清政府授于他翰林院检讨的官职，宣统三年（1911年）又加封他为翰林院侍讲。民国三年（1914年）受袁世凯聘入国史馆任馆长，编修国史。兼任参议院参政，复辟声潮中辞归。民国五年（1916年），83岁高龄的王闿运在家乡无疾而终，自题挽联：“春秋表未成，幸有佳儿述诗礼；纵横计不就，空余高咏满江山。”逝世后，当时总统黎元洪亲作神道碑文，湖南、四川等省均致公祭之文，享誉极盛。
其为人狂狷谐谑，轶闻甚多。门生众多，在教育事业上颇有成就，较著名的弟子有杨度、夏寿田、廖平、杨锐、刘光第、齐白石、张晃、杨庄等。
王闿运长期从事教育，先后执教成都尊经书院、长沙思贤讲舍、衡阳船山书院和南昌江西大学堂，加上家中私授的弟子，学生达数千人，其中名弟子杨锐、刘光弟、廖平、宋育仁、杨度、齐白石等都卓有成就。他就任尊经书院的第一天就对学生传授学经的方法，说：“治经於《易》，必先知易字含数义，不当虚衍卦名；於《书》，必先断句读；於《诗》，必先知男女赠答之辞，不足以颁学官，传后世，一洗三陋，乃可言《礼》，《礼》明然后治《春秋》。”又说：“说经以说宇为贵，而非识《说文解宇》之字为贵”，“文不取裁放古则亡法，文而毕摹乎古则亡意。”当时蜀学的晦塞，少有通儒，听到王闿运的这些议论，士生才知道研诵注疏诸史文选。尊经书院日有记，月有课，暇则习礼，三年士风丕变，出现了廖乎、胡从简等影响较大的人物。所以称王闿运为近代的一位大教育家并不为过。
王闿运早年怀抱帝王之学，曾试图参与治世，大有作为，然而屡遭挫折，无法施展抱负，遂绝意仕进，归而撰著授徒，不过他“纵横志未就，空余高咏满江山”的傲岸之气未有稍减。平时嘻笑怒骂，讥弹嘲弄，无所不至，人常惮怕而避之。但他对学生真诚和易，勤于教诲，常常正襟教授，侃侃而谈，终日不倦。王闿运平生早眠早起，不吸烟喝酒，所以精力充足，造诣独多。他著书都自己亲笔抄录，其书法凝厚，无一笔苟且，也不轻有误字，直到晚年的应酬文本都不潦草，从中也可以看出他为人为学的严谨作风来。王闿运一生居长沙的时间为多，因而他对长沙文化的发扬光大所起的作用是很大的。
王闿运好治经学，并以致用为目的，尤其擅长公羊学。著作丰富，有《湘绮楼诗集》4册，《湘绮楼文集》4册，《湘绮楼笺启》4册，《八代诗选》10册，《唐七言诗选》6册，《楚辞注》1册，以及《尚书义》、《尚书大传》、《诗经补笺》、《礼记笺》、《春秋公羊传笺》、《谷梁传笺》、《周易说》、《周官笺》、《论语注》、《尔雅集解》及墨子、庄子、鹖冠子义解等。其经学著作和诗文，后人合刊《湘绮楼全书》，因被曾国荃认为轻诋湘军及曾国藩而遭毁版，后由成都尊经书院学生出资重刻。
文论注疏类
《周易说》、 《尚书义》、《尚书大传》、《诗经补笺》、《礼记笺》、《春秋公羊传笺》、《谷梁传笺》、《周易说》、《周官笺》、《论语注》、《尔雅集解》、《墨子注》、《庄子注》
诗集
《秋醒词》
《圆明园词》
《寄怀辛眉》
《独游妙相庵，观道、咸诸卿相刻石》
《晓上空泠峡》
《重悼师芳》
《人日立春对新月忆故情》
名联
（自撰）春秋表未成，幸有佳儿读诗礼
纵横计不就，空留高咏满江山
（挽联）长船山院，为一代师，才子本多情，只怕周公来问礼
登湘绮楼，望七里铺，佳人难再得，莫随王子去求仙
旷古圣人才，能以逍遥通世法
平生帝王学，只今颠沛愧师承
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