본관은 기계(杞溪). 자는 성무(聖武), 호는 구당(矩堂). 서울 출신. 아버지는 진사 유진수(兪鎭壽)이다.
어려서부터 아버지와 외할아버지 이경직(李敬稙) 등에게 한학을 배웠다.
1870년(고종 7) 박규수(朴珪壽)의 문하에서 김옥균(金玉均)·박영효(朴泳孝)·서광범(徐光範)·김윤식(金允植) 등 개화 청년들과 실학 사상을 배우면서, 위원(魏源)의 『해국도지(海國圖志)』와 같은 서적을 통해 해외 문물을 습득하였다.
1881년 박규수의 권유로 어윤중(魚允中)의 수행원으로 조사시찰단(朝士視察團, 이칭별칭: 신사유람단)에 참가, 우리나라 최초의 일본 유학생이 되었다. 이 때 일본의 문명개화론자인 후쿠자와[福澤諭吉]가 경영하는 게이오의숙[慶應義塾]에서 유정수(柳定秀)와 함께 수학하였다.
유길준은 한국·중국·일본 등 동양 삼국의 단결을 목적으로 조직된 흥아회(興亞會)에도 참가해 일본의 학자 및 정치가들과 교유하였다. 1882년 임오군란이 일어나자 민영익(閔泳翊)의 권유로 학업을 중단하고, 1883년 1월에 귀국하였다.
통리교섭통상사무아문(統理交涉通商事務衙門)의 주사(主事)에 임명되어 한성판윤 박영효가 계획한 『한성순보』 발간 사업의 실무 책임을 맡았다. 그러나 민씨척족 세력의 견제로 신문 발간사업이 여의치 않자 주사직을 사임하였다.
그 해 7월 보빙사(報聘使) 민영익의 수행원으로 미국으로 건너갔다. 그 곳에서 일본 유학 때에 알게 된 생물학자이며 다윈(Darwin, C.)의 진화론을 처음으로 일본에 소개한 매사추세츠주 세일럼시의 피바디박물관장인 모스(Morse, E. S.)의 개인지도를 받았다.
1884년 가을 담머[대학예비]고등학교(Governor Dummer Academy)에서 수학, 우리나라 최초의 미국 유학생이 되었다. 1884년 갑신정변이 실패했다는 소식을 듣자, 12월에 학업을 중단하고 유럽 각국을 순방한 뒤 1885년 12월 귀국하였다.
그러나 갑신정변의 주모자인 김옥균·박영효 등과 친분관계가 있었다 하여 개화파의 일당으로 간주되어 체포되었다. 한규설(韓圭卨)의 도움으로 극형을 면하고 1892년까지 그의 집과 취운정에서 연금생활을 하면서 『서유견문(西遊見聞)』을 집필, 1895년에 출판하였다.
국한문혼용체로 서술된 이 책에서 서양의 근대 문명을 한국에 본격적으로 소개하는 한편, 한국의 실정에 맞는 자주적인 개화, 즉 ‘실상개화(實狀開化)’를 주장하였다. 개화를 인간사회가 ‘지선극미(至善極美)’한 상태에 도달하는 것이라고 정의하였다.
또한 역사는 미개화·반개화·개화의 단계를 거쳐 진보한다는 문명진보 사관(文明進步史觀)을 제시하였다. 유길준의 문명진보 사관은 종래의 상고주의 사관(尙古主義史觀)을 비판해 문명의 진보를 주장했다는 점에서 커다란 의의를 지닌다.
유길준의 개화사상은 실학의 통상개국론(通商開國論), 중국의 양무(洋務) 및 변법론(變法論), 일본의 문명개화론, 서구의 천부인권론(天賦人權論) 및 사회계약론(社會契約論) 등의 영향을 받아 형성되었다.
구체적 내용으로는 ‘군민공치(君民共治),’ 즉 입헌군주제의 도입, 상공업 및 무역의 진흥, 근대적인 화폐 및 조세제도의 수립, 근대적인 교육제도의 실시 등을 들 수 있다. 유길준의 개화사상에 나타난 이러한 개혁론은 갑오개혁의 이론적 배경이 되었다.
유길준은 1894년 동학농민운동을 계기로 한 청일전쟁의 발발과 동시에 수립된 친일내각에 참여, 외아문참의겸군국기무처회의원(外衙門參議兼軍國機務處會議員)·의정부도헌(議政府都憲)·내각총서(內閣總書)·내무협판(內務協辦) 등의 요직을 지내면서 갑오개혁의 이론적 기초를 제공하였다.
1895년 10월에 을미사변 후 이 사건의 뒷수습을 위해 일본 공사 이노우에[井上馨]와 접촉하였다. 내부대신이 되어 단발령을 강행하여 보수적인 유림과 국민들로부터 반감을 사기도 하였다. 1896년 2월 아관파천(俄館播遷)으로 친일내각이 붕괴되고 친러내각이 수립되자, 일본으로 망명하였다.
일본육군사관학교 출신의 한국인 청년장교들이 조직한 일심회(一心會)와 연결, 쿠데타를 기도했으나 실패하였다. 이 음모가 양국간의 외교 분규로 비화되자 일본 정부에 의해 오가사와라섬[小笠原島]에 유폐되었다. 1907년 고종이 폐위된 뒤 귀국해 흥사단 부단장, 한성부민회(漢成府民會) 회장을 역임하였다.
계산학교(桂山學校)·노동야학회(勞動夜學會) 등을 설립해 국민 계몽에 주력하는 한편, 국민경제회(國民經濟會)·호남철도회사·한성직물주식회사 등을 조직해 민족산업의 발전에도 힘을 쏟았다. 1909년에는 국어문법서인 『대한문전(大韓文典)』을 저술, 간행하였다. 1910년에 훈일등태극대수장(勳一等太極大綬章)을 받았다.
일진회의 한일합방론에 정면으로 반대했으며, 국권상실 후 일제가 수여한 남작의 작위를 거부하였다.
『서유견문(西遊見聞)』·『구당시초(矩堂詩抄)』·『대한문전』·『노동야학독본(勞動夜學讀本)』 등이 있으며, 1971년에 유길준전서 편찬위원회가 구성되어 『유길준전서』 전5권이 간행되었다.