Из мещан. Родился в Самарской губернии. Окончил шесть классов Самарской классической гимназии (1901), поступил вольноопределяющимся в армию. Окончил Казанское пехотное юнкерское училище (1905). Проходил службу на Кавказе и в Киевском военном округе. Участник Первой мировой войны. Полковник (1917). С 1904 по 1909 г. и в 1917 г. член Партии социалистов-революционеров (эсеров).

После Февральской революции выступал за прекращение войны, за что был отстранен от должности судом офицеров. В октябре 1917 г. избран делегатом на II Всероссийский съезд Советов рабочих и солдатских депутатов от армейского комитета солдатских депутатов 1-й армии. Поддержал советскую власть, примкнул к левым эсерам. Участвовал в работе комиссии по демобилизации армии и в разработке Декрета об организации Рабоче-крестьянской Красной армии (РККА). С января 1918 г. в военном отделе Всероссийского центрального исполнительного комитета (ВЦИК). Руководил формированием и обучением РККА. С мая 1918 г. военный комиссар во Всероссийском главном штабе и председатель Высшей аттестационной комиссии по отбору бывших офицеров в Красную Армию. В июле 1918 г. вступил в РКП(б).

С августа 1918 г. на фронтах Гражданской войны. Назначен командующим 9-й армией Южного фронта РККА, сражавшейся против войск П. Н. Краснова в районе Балашова и Камышина. С декабря 1918 г. командовал 10-й армией, участвовавшей в обороне Царицына. С июля 1919 г. помощник командующего Южным фронтом и командующий 14-й армией на левобережной Украине. В октябре 1919 г. назначен командующим войсками Южного фронта для противостояния наступлению войск А. И. Деникина на Москву. Под командованием Егорова войска фронта нанесли поражение армиям Вооруженных сил Юга России (ВСЮР). С января 1920 г. командующий войсками Юго-Западного фронта, руководил рядом операций в ходе Советско-польской войны.

После Гражданской войны занимал различные командные должности. В 1925–1926 гг. военный атташе в Китае. С 1931 г. начальник Штаба (с 1935 г. Генерального штаба) РККА. Маршал Советского Союза (1935). С мая 1937 г. заместитель народного комиссара обороны СССР. В марте 1938 г. арестован. 22 февраля 1939 г. осужден Военной коллегией Верховного суда СССР по обвинению в участии «в антисоветском троцкистском военно-фашистском заговоре», 23 февраля расстрелян. Реабилитирован в 1956 г.