Nació en Madrid el 25 de noviembre de 1562, hijo de un artesano que bordaba en oro. Sus dotes se declararon temprano: a los diez años hizo una traducción en verso de El rapto de Proserpina de Claudiano. Estudió en la universidad de Alcalá, y sus romances le trajeron fama inmediata; en ellos, como en cada género que tocó, Lope veía la encarnación de su ideal estético, según el cual la Naturaleza debe estar siempre por encima del Arte.
La universidad no llegó a terminarla. Por una sátira contra la familia de una amante que lo había rechazado fue condenado a diez años de destierro de Madrid — y regresó a la capital pese a todo, para raptar a una nueva dama de su corazón y casarse con ella en secreto. El episodio dejó su huella en su obra cimera, la novela dialogada La Dorotea (1634), para cuya escritura el dramaturgo se apoyó en la Eufrosina, comedia en prosa de Jorge Ferreira de Vasconcelos.
En 1588 se embarcó con la Armada Invencible; tras su derrota se estableció en Valencia, donde escribió una serie de piezas para mantener a su familia. Sirvió como secretario del duque de Alba (1590), del marqués de Malpica (1596) y del duque de Lemos (1598) — los años en que floreció su genio dramático. Tomó parte enérgica en el montaje de fastuosas fiestas teatrales en la corte. La vida cortesana, las alusiones a lances de amor, sus propios sentimientos y los de la gente que conocía, y su dolor por la muerte de su primera esposa, Isabel de Urbina (1594), dieron la sustancia de su novela pastoril La Arcadia (1598).
En 1598 se casó con Juana de Guardo, hija de un rico mercader; pero de 1599 a 1608 el lugar principal en su vida perteneció a la actriz Micaela de Luján — la Camila Lucinda de sus versos y de su prosa. En un período de grave crisis espiritual rompió la relación.
En 1609 se hizo servidor voluntario de la Inquisición, recibiendo el título de familiar del Santo Oficio de la Inquisición. Su ánimo se vio ensombrecido por una sucesión de muertes: su querido hijo Carlos Félix en 1612, su esposa en 1613, y luego Micaela. Testimonio de ese drama interior es la colección Rimas sacras, publicada en 1614.
En 1616 conoció a su último amor, Marta de Nevares, de veinte años, a la que celebró en verso y en prosa bajo distintos nombres — Amarilis, Marcia Leonarda — y a la que dedicó una de sus mejores comedias, La viuda valenciana (1604, reelaborada en 1616–18), así como las novelas Las fortunas de Diana (1621), La desdicha por la honra, La prudente venganza y Guzmán el Bravo.
Sus últimos años fueron una cadena de catástrofes personales. En 1632 murió Marta, que dos años antes había quedado ciega y perdido la razón; el mismo año su hijo pereció en un viaje por mar, y a su hija se la llevó un amante. Y, sin embargo, su escritura no se detuvo ni un solo día. Murió en Madrid el 27 de agosto de 1635.
Entre sus piezas: La discreta enamorada, La villana de Getafe, El mejor alcalde, el rey, Fuenteovejuna — sobre la cual se basó más tarde el ballet Laurencia —, Peribáñez y el comendador de Ocaña y El ausente en el lugar. Varias de sus comedias, entre ellas El maestro de danzar, El perro del hortelano y La dama boba, han sido llevadas a la pantalla.