Fill d’un alt funcionari kenyà i d’una antropòloga nord-americana, després del divorci dels seus pares (1963) passà la infantesa i la joventut a Jakarta i a Hawaii. Inicià els estudis superiors a l’Occidental College de Los Angeles i els continuà a la Columbia University, on es graduà en ciències polítiques el 1983. Després de dos anys a Nova York (1983-85) on treballà en una empresa privada i en una fundació, es traslladà a Chicago. Allà fou director d’un projecte d’assistència social al barri del South Side, del 1985 al 1988. Aquest any ingressà a la Universitat de Harvard, on estudià i es doctorà en dret el 1991. Durant aquest període col·laborà a la Harvard Law Review, revista de la qual fou nomenat editor en cap el 1990 (fou el primer afroamericà a ocupar aquest càrrec). De retorn a Chicago, dirigí un equip per a la inscripció de nous votants al cens electoral (1992), i posteriorment fou professor a la University Chicago Law School (1992-2004). Al mateix temps, continuà treballant en tasques socials i programes de desenvolupament i drets civils a la ciutat, especialment adreçats a la comunitat afroamericana.
Del 1997 al 2003 fou senador pel Partit Demòcrata al parlament de l’estat d’Illinois. Candidat al Senat des d’aquest darrer any, fou elegit per a la cambra alta federal el 2005. En aquest càrrec impulsà diverses iniciatives en la legislació sobre defensa, sanitat, educació i obres públiques. Al febrer del 2007 presentà la candidatura per a les eleccions presidencials del 2008, i s’enfrontà en les primàries del Partit Demòcrata a Hillary Rodham Clinton, la qual al juny li cedí la candidatura. Els mesos següents de campanya s’enfrontà al republicà John Sidney McCain com a candidat demòcrata a la presidència, juntament amb Joseph Robinette Biden per a la vicepresidència. Celebrades les eleccions el 4 de novembre, Obama hi aconseguí una victòria clara davant el seu rival i es convertí, d’aquesta manera, en el primer afroamericà a aconseguir la presidència dels Estats Units, a la qual accedí el 20 de gener de 2009 i en què succeí George Walker Bush.
El seu govern, amb Joe Biden com a vicepresident, Hillary Clinton com a secretària d’estat i Timothy Geithner com a secretari del Tresor, s’enfrontà a la pitjor crisi econòmica des dels anys trenta, que combaté amb mesures d’estímul i, en política social, amplià la cobertura mèdica, iniciatives que galvanitzaren l’oposició més dretana dels republicans en el moviment del Tea Party. En política exterior posà l’accent al Pacífic (especialment a la Xina) com a nou pol de desenvolupament mundial. En la lluita contra el terrorisme obtingué un triomf simbòlic amb la mort d’Ossama Bin Laden al maig del 2011, bé que les operacions contra els talibans comportaren fortes tensions amb el Pakistan. Al desembre del 2011 completà la retirada nord-americana de l’Iraq, i a l’Afganistan el 2011 renovà un acord de permanència fins després del 2014. Donà un cert suport a la Primavera Àrab, bé que en resultaren enderrocats alguns aliats dels Estats Units, com ara el president egipci Ḥusnī Mubārak. Amb relació al conflicte a Síria, al Consell de Seguretat de l’ONU s’enfrontà al suport de la Xina i Rússia al règim de Bašār al-Assad. Tot i les relacions difícils amb el govern de Benjamin Netanyahu, donà suport a Israel en contra la votació per a admetre Palestina com a estat observador a l’ONU i contra la política nuclear de l’Iran. Davant l’ascens de la Xina es decantà, en general, per prioritzar les bones relacions econòmiques i tendí a evitar disputes per qüestions relatives als drets humans. En canvi, tot i que el 2010 signà amb Rússia la renovació del Tractat START, el seu govern criticà el creixent autoritarisme del president Vladimir Putin.
Al novembre del 2012, derrotà el republicà Mitt Romney amb el 50,5% dels vots, i accedí al segon mandat. Investit el 21 de gener, Obama nomenà un nou govern en el qual Timothy Geithner i Hillary Clinton foren substituïts per Jack Lew i John Kerry a la secretaria del Tresor i a la secretaria d’Estat, respectivament. La seva capacitat de maniobra restà disminuïda a partir del novembre del 2014, quan els republicans aconseguiren el control d’ambdues cambres. Com a resposta, utilitzà en algunes ocasions la prerrogativa de governar per decret, cosa que li valgué dures crítiques en assumptes sensibles.
La política exterior del seu segon mandat estigué dominada per l’augment de la tensió amb Rússia a causa, sobretot, de l’intervencionisme en el conflicte d’Ucraïna i del suport obert de Vladimir Putin al règim de Bašār al-Assad en la guerra de Síria. Al juliol del 2015 arribà, en canvi, a dos controvertits acords: amb l’Iran sobre la indústria nuclear i amb el règim castrista de Cuba sobre el restabliment de les relacions entre tots dos països, després de cinquanta-quatre anys de bloqueig i enfrontaments. En l’àmbit econòmic, la seva aposta decidida per la globalització i la liberalització culminaren en la signatura del Partenariat Transpacífic l’octubre del 2015. En medi ambient aconseguí una fita també remarcable amb l’acord de París del desembre del 2016. Al desembre del 2016, l’abstenció dels Estats Units al Consell de Seguretat de l’ONU a la resolució que instava Israel a posar fi als assentaments a Cisjordània donà lloc a un dels episodis de més tensió amb els Estats Units de la seva llarga aliança.
A l’interior, la creixent radicalització d’amplis sectors que abraçaren un ideari agressivament conservador (propiciat, segons aquests, per la percepció d’haver estat marginats del progrés general del país) anà aparellada amb un agreujament de les tensions racials, els discursos xenòfobs i els episodis violents, alguns dels quals protagonitzats per franctiradors i altres per musulmans extremistes, però també per les forces de l’ordre públic, acusades de racisme contra els afroamericans. Malgrat els episodis de violència, els esforços per introduir controls en la possessió d’armes de foc restaren neutralitzats. En política immigratòria, tot i establir forts controls, la decisió d’atorgar per decret permisos de treball a quatre milions d’immigrants (novembre del 2014) donà lloc a una aspra controvèrsia. Tot i un elevat nivell d’aprovació al final del seu segon i darrer mandat, el clima de desafecció d’amplis sectors es reflectí en el resultat de les eleccions del 8 de novembre del 2016, quan els electors optaren pel candidat republicà Donald Trump.
És autor dels llibres Dreams from My Father: A Story of Race and Inheritance (1995) i The Audacity of Hope (2007), a més d’articles i col·laboracions en treballs col·lectius. El 2009 li fou concedit el premi Nobel de la pau.