본관은 연안(延安). 자는 자유(子由). 호는 유당(由堂).
1847년 서울에서 출생했다. 1878년 정시문과에 을과로 급제한 뒤 1882년 홍문관 응교, 1883년 통리교섭통상사무아문의 주사에 임명되었다. 이후 용강현령, 부교리 등을 거쳐 1888년 주차미국전권대신 참무관, 1890년 외무참의 및 영남좌우도 암행어사를 지냈다. 1893년 주차일본판리대신으로 일본 동경에 다녀왔으며, 성균관 대사성, 형조 참판, 한성부 좌윤, 형조 참판을 거치고, 1894년 병조 참판, 이조 참판, 동지중추원사 등을 지냈다.
대한제국 시기에 궁내부에서 고종 황제를 보좌했다. 1900년 궁내부 특진관, 1903년 장례원경, 1904년 의정부 찬정, 1905년 비서감경, 태의원경, 1906년 가례도감 제조, 궁내부 특진관, 중추원 찬의, 1907년 궁내부 특진관, 전선사 제조, 규장각 제학 등을 역임했다.
1910년 한일합병 직후 「조선귀족령」에 의거하여 일본정부로부터 조선귀족 남작의 작위와 함께 2만 5000원의 은사공채를 받았다. 1912년 8월 '귀족의 작위와 은사금을 받은 자로서 한일관계에 특히 공적이 현저한 자'로 인정되어 일본정부로부터 한국병합기념장을 받았다. 1935년 2월 17일 사망할 때까지 조선귀족의 작위가 유지되었으며, 사망 직후 일본정부에 의해 특지로써 위1급이 추승되어 종3위에 서위되었다.
김사철의 이상과 같은 활동은 「일제강점하 반민족행위 진상규명에 관한 특별법」 제2조 제7·19호에 해당하는 친일반민족행위로 규정되어 『친일반민족행위진상규명 보고서』 Ⅳ-2: 친일반민족행위자 결정이유서(pp.766∼773)에 관련 행적이 상세하게 채록되었다.