Из мещан. Родился в Полтаве. Учился в Полтавской духовной семинарии. В 1901 г. исключен за участие в революционной деятельности. Состоял в Революционной украинской партии (РУП), после ее раскола в Украинской социал-демократической рабочей партии (УСДРП), член ее ЦК с 1905 г. Работал в Киеве редактором газет «Слово» (1906), «Украинская жизнь» (1912), бухгалтером в Санкт-Петербурге и Москве. С началом Первой мировой войны мобилизован в армию. В 1916 г. на службе во Всероссийском союзе земств и городов, заместитель уполномоченного по Западному фронту.

В апреле 1917 г. избран председателем Украинского фронтового  Совета  войск      Западного       фронта,      в     мае   делегирован   на  1-й Всеукраинский военный съезд. Возглавил созданный на съезде Украинский генеральный военный комитет при Украинской Центральной раде, был кооптирован в ее состав. В июне занял пост генерального секретаря по военным делам в Генеральном секретариате – высшем исполнительном органе, созданном Центральной радой.

Октябрьский переворот встретил враждебно. Поддержал решение Центральной рады о создании Украинской Народной Республики (УНР). В ноябре вновь занял пост генерального секретаря по военным делам в новом Генеральном секретариате. Стремился переподчинить УНР войска Румынского и Юго-Западного фронтов, что спровоцировало конфликт с Советской Россией. В декабре 1917 г. отправлен в отставку.

Организовал добровольческое воинское соединение – Гайдамацкий кош Слободской Украины, участвовал в боях с красногвардейскими отрядами, в подавлении восстания в Киеве (январь 1918). После занятия Украины войсками Германии из-за конфликта с прогерманским правительством УНР отстранен от всех военных постов.

После   образования   Украинской   державы   во   главе   с гетманом П. П. Скоропадским (апрель 1918) возглавил Всеукраинский союз земств, занимался оппозиционной деятельностью. В июле арестован.

В ноябре 1918 г. освобожден, принял участие в восстании против Скоропадского. С 14 ноября 1918 г. член Украинской Директории и главный  атаман  войск УНР, с 10 февраля 1919 г. председатель Директории. Проводил националистический курс, воевал с РСФСР и одновременно конфликтовал с Вооруженными силами Юга России (ВСЮР). К осени 1919 г. силы Украинской директории потерпели поражение и Петлюра уехал в Польшу.

В апреле 1920 г. от лица УНР заключил с Начальником государства Польского Ю. Пилсудским договор о совместной борьбе против РСФСР. После разгрома сил УНР вернулся в Польшу. Осенью 1921 г. при поддержке Польши и Румынии организовал новое вторжение на Украину, но потерпел поражение. Убит в Париже украинским анархистом.