경기도 시흥 출생.
1952년 한영중학교를 졸업하였고, 1955년 서울고등학교를 2학년으로 수료하고, 1957년 서라벌예술대학 문예창작과를 졸업한 후, 1959년 동국대학교 국어국문학과를 졸업하였다. 1962년 경희대학교 대학원에서 석사과정을 졸업하였다.
1958년 정화여자중·상업고등학교에서 강사로 근무했고, 1960년 흥국중·고등학교, 1961년 동대문중·상업고등학교 교사로 근무하였다. 1963년 제주대학교 법문학부 교수로 근무하다가 1966년 31세로 별세하였다.
1951년 한영중학교 3학년 때 첫시집 『황혼선』을 출간할 정도로 문재가 뛰어난 시인이었고, 고등학교도 2학년으로 졸업하고 대학에 진학하였다. 1954년 두 번째 시집 『별과 나』를 출간하였다. 1956년 『현대문학』에 「구름」, 「그믐달」, 「병(甁)」 등이 서정주의 추천을 받아서 문단에 나왔다. 1959년 『구름은 울지도 못한다』를 발표하였다. 유고시집 『은행기(銀杏記)』(1968), 『이성환시선집』(1971)이 있으며 『현대시의 두 가지 기능』(1964)과 『이미지 구조론』(1966) 등 2편의 평론이 있다.
첫 시집 『황혼선』에서 보이는 시세계는 자연사물에 대한 서정적 접근이 아주 풍성하면서도 그 거리를 유지하는 긴장미를 잃지 않아 관조적인 태도가 돋보인다는 평가를 받는다. 인생의 진실을 시를 통해 표현하는 시인의 의지는 『별과 나』에서 무한한 우주공간의 신비를 동경하는 정서로 드러난다. 우주를 바라보는 시인은 우주의 신비감을 시적재현을 통해 구체화하고자 노력하였다. 그 방법으로 소통과 교감을 작품에 담고 있는데 사람의 감정이 바로 자연과의 합일이나 소통을 이루는 근본으로 보고 있다. ‘별’이라는 고독하고 우뚝한 자연대상을 ‘나’라는 현실에서 바라보면서 동경을 통해 현실과의 조화를 이루어간다. 유고시집 『은행기』에서도 자연과의 소통을 지속적으로 추구하는 의지는 인간존재의 근원을 자연사물을 통해 물어가면서 생활과 삶의 언어를 간결하게 응축하는 긴장미를 잘 살리고 있다.