Mathias-Philippe-Auguste, comte de Villiers de l'Isle-Adam, naquit le 7 novembre 1838 à Saint-Brieuc, dans les Côtes-du-Nord (aujourd'hui Côtes-d'Armor). Fils unique de Joseph-Toussaint-Charles de Villiers de l'Isle-Adam et de Marie-Françoise Le Nepvou de Carfort, il appartenait à une famille bretonne désargentée qui revendiquait une ascendance aristocratique prestigieuse. Sa scolarité se déroula dans plusieurs établissements bretons, à Saint-Brieuc, Tréguier et Rennes, avant que la famille ne s'installe à Paris vers 1855.
Dans la capitale, le jeune Villiers fréquenta les cafés littéraires et se lia aux grandes figures de son temps : Baudelaire, Leconte de Lisle, puis Stéphane Mallarmé, dont il devint l'un des amis les plus proches. Il y mena une existence de bohème, marquée par une pauvreté chronique qui ne le quitta jamais, malgré la noblesse de son nom et l'ambition de ses projets.
Villiers est aujourd'hui reconnu comme l'un des écrivains majeurs du symbolisme. Son recueil de nouvelles Contes cruels (1883), qui rassemble des récits aussi célèbres que Véra, le fit connaître d'un public plus large. Son roman L'Ève future (1886), où un savant inspiré d'Edison façonne une femme artificielle, l'andréide Hadaly, est considéré comme une œuvre fondatrice de la science-fiction et l'origine probable du mot « androïde » dans son acception moderne. Son grand drame symboliste Axël, longtemps remanié, parut de façon posthume en 1890.
La musique tint une place centrale dans sa sensibilité. Doué très tôt pour le piano, mélomane érudit et chanteur occasionnel, il accompagnait volontiers au clavier les poèmes qu'il récitait. Il s'essaya à la composition, mettant notamment en musique La Mort des amants de Baudelaire, et esquissa des pages destinées à la scène. Il convient toutefois de souligner que Villiers n'a pas laissé d'œuvre musicale véritablement constituée ou publiée : sa réputation repose entièrement sur son œuvre littéraire, et son activité de « compositeur » resta celle, intime et fragmentaire, d'un poète musicien.
Son admiration pour Richard Wagner fut déterminante. En 1869, il accomplit une sorte de pèlerinage jusqu'à Triebschen, près de Lucerne, où il rencontra le compositeur et lui lut le manuscrit de son drame La Révolte ; Wagner aurait salué en lui un « véritable poète ». Cette esthétique wagnérienne, alliant idéalisme, mysticisme et primauté de l'idée, irrigue toute son œuvre.
Si Villiers fut davantage source d'inspiration musicale que créateur de musique, son verbe attira de nombreux compositeurs. Ernest Chausson mit en musique plusieurs de ses textes ; Gabriel Fauré et Pierre de Bréville s'emparèrent également de sa poésie, et Claude Debussy envisagea un temps un opéra d'après Axël, projet jamais mené à terme.
Toujours pauvre, Villiers mourut d'un cancer le 18 août 1889 à Paris, à l'âge de cinquante ans. Sur son lit de mort, il épousa Marie Dantine afin de légitimer leur fils Victor, né en 1881. Son influence sur le symbolisme et sur des générations d'écrivains, jusqu'aux surréalistes, demeure considérable.