프로이드는1856년 오스트리아- 헝가리 제국의 작은 도시 모라비아 프라이베르크에서 유대계 사업가의 아들로 태어났다. 프로이드는 유년 시절 가족과 함께 수도 빈으로 이사하였고, 학교에 들어간 후 유대인이라는 이유로 차별을 당하기도 하였다. 빈 대학 시절 프로이드는 다윈의 진화론에 영향을 받아 생리학을 전공하였다. 동물에 대해 연구하던 프로이드는 인간의 신경계에 관심을 갖게 되었고, 대학 졸업 후 실어증과 인간의 뇌와 관련되 병에 대해 연구하였다. 

이후 그는 프랑스 파리로 유학을 가서 최면 요법을 공부하였고, 그 과정에서 최면이 히스테리(정신 신경증) 치료에 어떻게 영향을 주는지에 관심을 갖게 되었다. 그는 인간의 정신은 의식과 무의식으로 나뉘며, 신경증 같은 정신 질환의 원인은 스스호 파악하지 못하는 무의식 속 정신적인 원인에 있다고 생각하였다. 파리 유학을 마친 그는 빈에서 신경 질환 관련 병원을 개업하였다.  

프로이드는 병원을 찾아오는 환자들을 치료하기 위해 무의식에 대해 더욱 깊이 연구하였다. 그 결과 히스테리 치료법의 연구에서 무의식의 존재를 확신하고 카타르시스나 자유 연상법을 이용하는 정신 분석의 방법을 발견하여, 잠재의식을 바탕으로 한 심층 심리학을 수립하여 의사 협회지에 발표하였다. 하지만 당시 의학계는 정신 세계가 인간의 다양한 부분에 영향을 미친다는 그의 주장을 인정하지 않았고 혹평하였다. 하지만 그는 좌절하지 않고 수많은 환자를 직접 치료하며 연구를 계속하였다. 이를 바탕으로 1899년 "꿈의 해석'이라는 저서를 펴냈다.  

초기에 비판을 받던 프로이드의 이론은 점차 젊은 의사들을 중심으로 퍼져 나갔고, 그의 학문은 '정신 분석학'이라는 이름으로 알려졌다. 또한 그는 꿈, 농담, 성욕의 분석에 있어서도 새로운 분야를 개척하였다. 그는 "꿈의 해석" 이외에 "히스테리 연구", "정신 분석 입문" 등 많은 저서를 남겼다. 프로이드의 이론들과 환자에 대한 그의 치료는 오늘날에도 여전히 뜨거운 논란이 되고 있다. 행동주의 심리학, 진화심리학, 인지심리학은 정신 분석학을 의사 과학으로 취급하여 인정하지 않는다. 

프로이드의 아이디어는 그것들을 과학적 의학적 논문으로서 계속 논의되는 것뿐만 아니라 문학, 철학, 일반 문화에서 종종 논의되고 분석되어 왔다. 1930년, 프로이드는 심리학과 독일어 문학에 기여한 공로로 괴테상을 받았다. 하지만 이후 독일에서 나치가 집권하였으며, 1938년  나치 독일은 오스트리아를 병합하였다. 유대인이라는 이유로 책과 재산이 모두 몰수당하자, 그는 영국 런던으로 이주하였다.

프로이드는 미완성 원고 "정신 분석학 개관"을 남겨두고 1939년 에 죽었으며, 죽은 지 사흘 뒤에 그의 유해는 영국 골더스 그린 공동 묘지에 매장되었다. 스위스 코티지 근처에 벨사이즈 길과 피츠존 거리의 한쪽 모퉁이에 그의 동상이 서 있다.