Fill i successor d’Enric de Sentmenat i de Lanuza, baró de Dosrius. Es doctorà en filosofia a Barcelona (1665) i a divuit anys inicià la carrera militar: serví amb el grau de capità el lloctinent de Catalunya, duc d’Osuna (1667-69) i participà durant la guerra d’Holanda en les campanyes de les tropes espanyoles al Rosselló (setges i presa de Bellaguarda i dels Banys el 1674, presa de Morellàs el 1675). El 1675, nomenat mestre de camp d’infanteria a Barcelona, passà a l’Empordà i la Cerdanya i assistí a la presa de Maurellàs a les ordres del duc de San Germano. El 1676 fou nomenat governador de Castell-lleó i, el 1677, de Tarragona, on durà poc, però en fou nomenat de nou el 1680. La seva eficiència portà com a conseqüència que el 1681 fos nomenat lloctinent general del regne de Mallorca, càrrec que ocupà fins el 1688. Fou nomenat conseller de guerra (1689) i elegit protector del braç militar (1688-91). El 1691 fou nomenat ambaixador a Portugal. El 1696 fou creat marquès de Castelldosrius. L’any 1698, recomanat per la reina de Portugal, Sofia del Palatinat, fou nomenat ambaixador prop de Lluís XIV de França i, en morir Carles II, fou el qui li lliurà la còpia autèntica del testament. Quan Lluís XIV presentà el duc d’Anjou, el futur Felip V d’Espanya, com a nou rei, Castelldosrius se li dirigí amb la cèlebre frase: “¡Qué dicha! ¡Ya no hay Pirineos, se han hundido en la tierra y no formamos más que una nación!”. Felip V de Castella premià les seves gestions a Versalles amb la grandesa d’Espanya (1701) i el 1704 el nomenà virrei del Perú, Xile i la Terra Ferma, càrrec que ocupà des del 1701. El 1694 inicià un plet contra els marquesos de Moja per la successió dels béns dels Oms de Santapau, s’intitulà baró de Santa Pau i adoptà el cognom d’Oms de Santa Pau (tanmateix, el plet pel títol no fou resolt fins el 1730 pels seus descendents).
Al Perú introduí els costums i els gustos versallescos, impulsà el conreu de les arts i les lletres i organitzà al seu palau de Lima una Academia Familiar, a la qual acudien els artistes i els literats, i organitzà una pomposa Flor de Academias que combinava la música amb la dansa, la tertúlia i les afeccions literàries. Compongué poesies i traduí al castellà els himnes de Tomàs d’Aquino. En ocasió de les celebracions rituals pel naixement de l’infant Lluís, organitzà la primera representació d’òpera a les Índies amb el llibret propi El mejor escudo de Perseo (1708). Deixà, en morir, una de les millors biblioteques de tots els virreis peruans. Des del seu càrrec, ajudà molt Felip V enviant-li constantment diners per a la guerra de Successió. Les exaccions abusives en forma de tributs per a aquest propòsit provocaren una revolta protagonitzada pels comerciants, que també li retreien que protegís els interessos comercials francesos, i per aquests motius fou portat diverses vegades als tribunals. Acusat de contraban i corrupció, el 1709 fou destituït i els seus béns a Catalunya confiscats per ordre del rei arxiduc Carles III. Tanmateix, gràcies a la influència de la seva filla Caterina, dama de companyia de la reina i muller del comte de Cedillo, fou rehabilitat i tornà a ocupar el càrrec poc abans de morir. Els seus béns foren retornats als seus hereus el 1714 i el 1716 fou absolt en el judici pòstum. Fou enterrat a Montserrat per desig expressat abans de morir.
El seu fill Fèlix de Sentmenat-Oms de Santapau (Palma, 30 de desembre de 1864 – Gap, Delfinat, 30 de desembre de 1744), segon marquès de Castelldosrius, fou capità general del Perú i governador de la fortalesa d’El Callao (1707-08), i fou succeït pel seu germà Joan Manuel de Sentmenat-Oms de Santapau i d’Oms.