Fou deixeble de fra Filippo Lippi , el fill del qual, Filippino Lippi, esdevingué més tard deixeble del mateix Botticelli. Cap al 1470 fou molt influït ( Judit i Holofernes , Galleria degli Uffizi, Florència) pels germans Piero i Antonio Pollaiolo , especialment en el retorn als temes mitològics, rebutjats durant l’edat mitjana en benefici dels religiosos ( La força , Uffizi, que completà la sèrie de les Virtuts de Piero Pollaiolo). Fou important també la influència d' Andrea del Verrocchio , amb qui col·laborà en el disseny de la decoració d’un torneig organitzat per Giuliano de Mèdici el 1475. Vers aquest mateix any pintà l' Epifania , i en 1477-78, La primavera (ambdues als Uffizi).
Tres anys més tard fou cridat a Roma pel papa Sixt IV per a decorar la Capella Sixtina del Vaticà, on treballà amb Il Perugino, Il Pinturicchio, Cosimo Rosselli i Ghirlandaio. L’any 1482 tornà a Florència i pintà Pal·las i el centaure (~ 1485), El naixement de Venus (~ 1486), L’Anunciació (1488-90), totes tres als Uffizi, el retaule i la predel·la Coronació de la Mare de Déu (~ 1488-90, Academia, Florència), La calúmnia (~ 1494-95, Uffizi), basada en la descripció clàssica d’una obra d’Apel·les.
Els darrers anys de la seva vida l’afectaren profundament la vida i l’obra del predicador Girolamo Savonarola , sota la influència del qual sembla que destruí una part de la seva obra de tema pagà. Al final de la vida la seva obra se centrà en la representació de temes religiosos, que deixaren d’ésser mers pretexts per a esdevenir sinceres manifestacions de sentiment místic —il·lustracions per a la Divina Comèdia (~ 1490), Pietat (~ 1500; Pinacoteca de Munic), d’atribució discutida, Nativitat mística (1500; National Gallery, Londres), etc—.
Tot i que no són obres absolutament segures, cal consignar la sèrie de quatre quadres de la Història de Nastagio degli Onesti (1487?), tres dels quals formaren part de la col·lecció Cambó de Barcelona del 1929 al 1941, ara al Museo del Prado, mentre que la quarta és en una col·lecció privada de Londres.
Fou també un gran retratista ( Desconegut amb la medalla de Cosme el Vell , ~ 1470-71, Uffizi; Retrat de Michael Marullo Tarkaniota , col·lecció Helena Cambó, Barcelona).
La seva pintura, exclosa la darrera etapa mística, representa l’exaltació d’un esteticisme decoratiu i aristocràtic, on l’estructura en arabescs i el preciosisme dels detalls són posats al servei d’un concepte de l’art vàlid en ell mateix, en reacció contra l’afany de reproduir amb fidelitat la realitat, propi dels artistes florentins que el precediren.