Гео Милев е роден в учителско семейство. От детска възраст проявява интерес към литературата и рисуването. През 1907 г. в детското вестниче „Славейче“ (бр.15 от 5 януари 1907 г.) е отпечатано първото му стихотворение. Като ученик в Старозагорската гимназия (1907–1911) издава ръкописни вестници, съставя сборници, които сам илюстрира, пише хумористични, патриотични и интимни стохотворения; подписва се Гео Милев, Гео Касабов, Георги Милич, Гео Милич. Ученическите му стихове са повлияни от творчеството на Пенчо П. Славейков, когото смята за свой учител в поезията и естетиката. През ученическите си години превежда от руски език стихове на А. С. Пушкин, М. Ю. Лермонтов, Н. А. Некрасов, А. С. Колцов, А. А. Фет и др. Следва романска филология в Софийския университет (1911–1912); продължава образованието си в Лайпциг (1912–1914), където слуша лекции по философия и по театрално изкуство и пише дисертация за Р. Демел. През декеври 1913 г. в сп. „Листопад“ се появяват първите му публикации – „Литературно-художествени писма от Германия“. По това време Гео Милев е горещ привърженик на индивидуализма и естетизма, ориентира се в немската литература и в културния живот в Германия, увлича се от модерната немска поезия. През юли 1914 г., след започването на Първата световна война заминава за Лондон, където се запознава с английската литература, изучава английски език. Среща се с емигриралия белгийски поет Емил Верхарн. Върнал се отново в Германия, за да продължи образованието си, Гео Милев, заподозрян, че е английски шпионин, е арестуван в Хамбург от немската полиция. Поради липса на доказателства е освободен. Пристига в Лайпциг, но събитията го принуждават скоро да се прибере в България (1915). Отпечатва в ограничен тираж литературни листове за Ст. Маларме, Р. Демел, П. Верлен, Ем. Верхарн и Фридрих Ницше, които съдържат преведени от Милев стихове; всеки лист е посветен на някого от младите поети символисти – Николай Лилиев, Димчо Дебелянов, Теодор Траянов, Людмил Стоянов и Николай Райнов.

Гео Милев поема грижите около книжарницата на баща си, който е мобилизиран. През зимата на 1915–1916 г. заедно с Н. Икономов организира в Стара Загора театрална трупа, която изнася няколко представления. През март 1916 е призован да отслужи военната си повинност в ШЗО в Княжево. Оттам като старши подофицер е изпратен в 34-ти троянски полк, който е на позиция при Дойран, срещу англичани и италиaнци. Назначен е за командир на разузнавателния апарат в града. На 29 април 1917 г. неговият пост е открит от англичаните и е подложен на артилерийски огън. Милев е тежко ранен в черепа и загубва дясното си око. През февруари 1918 г. заминава със съпругата си за Берлин, за да бъде опериран; остава до март 1919 г. Въпреки лошото си здравословно състояние по време на престоя той посещава библиотеки, музеи, изложби, театри. Творецъп наблюдава революционният кипеж в Германия и го отраразява в „Грозни прози“. В Берлин се запознава с новите тенденции в немската литература, свързва се с немски писатели и художници, превежда и печата експресионистичното списание „Акцион“. След като се завръща в София, Гео Милев издава списание „Везни“ (1919–1922), което се оформя като трибуна на експресионизма в България.

Под влияние на новата обществено-политическа обстановка в страната пред 1922–1923 г. възгледите му еволюират. Промяната в светогледа му е отразена на страниците на сп. „Пламък“, което започва да излиза през януари 1924 г. В него Гео Милев печата статии, „Грозни прози“, поемата „Ад“, поемата „Септември“. Заради последна си поема, отпечатана в книжка 7–8 на сп. „Пламък“, изданието е конфискувано, а поетът е даден под съд. През януари 1925 г. списанието е забранено. На 14 май 1925 г. Гео Милев е осъден на една година тъмничен затвор, глоба от 20 000 лв. и лишаване от граждански и политически права за 2 години. Той решава да обжалва делото пред Апелационния съд, но на 15 май е арестуван от полицията и изчезва безследно, убит и заровен в общ гроб в Илиенци.