Русский художник и график, книжный иллюстратор, мастер театральной декорации, историк искусства, художественный критик, режиссер, автор балетных либретто. Родился в Петербурге в семье архитектора Н.Л. Бенуа и музыкантши К. А. Кавос.
Профессионального художественного образования не получил, основные навыки живописи воспринял от брата Альберта. В 1893 г. выступил как пейзажист на выставке русского Общества акварелистов, в 1894 г. как теоретик и историк искусства написал очерк о русских художниках для книги Мутера «История живописи в XIX веке», изданной в Мюнхене.
В гимназические и университетские годы познакомился с Д. Философовым, В. Нувелем и К. Сомовым, позже — с. Дягилевым, Л. Бакстом, А. Нуроком. В 1890-х гг. из этого кружка единомышленников родилось общество «Мир искусства» и сформировалась редакция одноименного журнала (1898). Был одним из самых активных деятелей этого объединения, возродившего в России искусство книжной графики. В 1895–1899 был хранителем коллекции современной европейской и русской живописи и графики княгини М. К. Тенишевой; в 1896 г. организовал небольшой русский отдел для выставки Сецессиона в Мюнхене; в 1896–1898 и 1905—1907 гг. работал в Париже.
В предреволюционные годы (1911–1917) работал как художник театра, обращался к станковой живописи и графике, создал циклы: пейзажи Венеции (1912), крымская серия (1915), серия панно для Казанского вокзала (1914–1917). С 1917 г. принимал живое участие в организации охраны памятников искусства, занимался реорганизацией Эрмитажа, был заведующим его картинной галереей (1918–1926). С 1926 г. жил в Париже, работал, главным образом, над эскизами декораций и костюмов для спектаклей в театрах Франции, Италии и других стран («Гранд-опера» в Париже, «Ла Скала» в Милане). Умер в Париже.