Родился 26 ноября (8 декабря н.с.) в Петербурге в семье, принадлежавшей к старинному роду удельных князей Черниговских. Получил хорошее домашнее образование. С юных лет проявлял интерес к литературе.
В 1815, по обычаю старинных дворянских семей, Одоевского записали на гражданскую службу — канцеляристом в Кабинет его величества. В это же время познакомился со своими двоюродными братьями — Александром Грибоедовым и Владимиром Одоевским.
В 1821 поступил на военную службу. Будучи офицером конногвардейского полка, вступил в Северное тайное общество за несколько месяцев до восстания и принял участие в выступлении на Сенатской площади. Был приговорен к пятнадцатилетней каторге, срок которой был в дальнейшем сокращен до 12 лет. В оковах был отправлен в Сибирь — сначала в Читинский острог, затем в Петровский завод за Байкалом.
Как поэт Одоевский почти не проявлял себя до восстания. После ареста, в Петропавловской крепости в душе его произошел перелом, он ожил, обрел уверенность в своих силах, там написал стихотворения "Воскресенье" (1826), "Сон поэта" (1827). В Сибири стал поэтом декабристской каторги.
Именно он от лица всех ссыльных ответил стихами на слова пушкинского послания "В Сибирь" — "Струн вещих пламенные звуки до слуха нашего дошли". В стихотворении "Тризна" он оправдывал дело декабристов; писал стихи, посвященные памяти Веневитинова, Грибоедова. Есть в его поэзии и мучительные раздумья о смысле и назначении их борьбы, попытки оценить эту борьбу с позиций будущего ("Элегия", 1829).
В 1833 Одоевский был переведен на поселение сначала под Иркутск, затем в Тобольскую губернию.
В 1837 был направлен на Кавказ солдатом в действующую армию. В Ставрополе произошло его знакомство с М.Лермонтовым, вскоре перешедшее в дружбу.
В 1839 в крепости Псезуапе (теперь пос. Лазаревское близ Сочи) Одоевский заболел малярией и умер. Могила не сохранилась.