Родился 9 (22) апреля 1907 в дер. Вырица, ныне Ленинградской обл. Вырос на юге у моря (Херсон и др.), с 1921 – в Петрограде, где окончил Мореходные классы, плавал матросом на Охотском и Каспийском морях. В 1935 окончил Ленинградский горный институт. Первые научно-фантастические и приключенческие новеллы Ефремова, привлекшие внимание А.Н.Толстого «правдоподобностью необычайного», вошли в сборники его рассказов Встреча над Тускаророй, Пять румбов (оба 1944), Белый рог (1945), Алмазная труба (1946). В них, как и в первой научно-фантастической повести Звездные корабли (1948), проявилось характерное для творчества Ефремова стремление не только, следуя законам жанра, выстроить занимательный сюжет и пробудить интерес к тайнам природы, но и концептуально осмыслить естественно-биологические и исторические процессы.

С 1925 как палеонтолог-любитель участвовал в научных экспедициях (Закавказье, Средняя Азия, Якутия, Восточная Сибирь, Дальний Восток); в 1946–1949 руководил тремя экспедициями в Гоби, чему посвящена художественно-документальная кн. Дорога ветров (1956). Вскоре ставший одним из ведущих представителей отечественной научной фантастики 20 в., Ефремов предложил в своих произведениях как многочисленные научные гипотезы (что особенно роднит его с мировым классиком жанра – Ж.Верном), так и социокультурные схемы развития древних цивилизаций (один из примеров – дилогия Великая дуга: повести На краю Ойкумены, 1949, и Путешествие Баурджеда, 1953, воссоздающие наивные представления древних греков и египтян об окружающем мире и предлагающие размышления о первоосновах человеческой культуры).

Убежденный приверженец, в русле гуманистических упований его поколения, неизбежного наступления «золотого века» всеобщего равенства, благоденствия и мира с помощью радикального преобразования общественного устройства, Ефремов в 1957 выпускает научно-фантастический роман-утопию Туманность Андромеды, где изображено будущее коммунистическое государство планетарного масштаба. Истоком его явится Земля – цитадель разума, в неопросветительском духе исключающего корысть, войны, угнетение человека человеком. Предвосхищая технократический бум 1960-х годов, Ефремов в качестве главных героев романа («движителей» прогресса) выдвигает освоителей Космоса – астронавтов и физиков, которых подпитывают научными изысканиями и творческим горением ученые-историки и люди искусства. Роман развивает утопию Великого Кольца – содружества цивилизаций Вселенной, внутри которой, как предвещал К.Э.Циолковский и его учитель Н.Ф.Федоров, существует содружество цивилизаций, в гуманистической ауре которого каждый человек достигает свободного и универсального самораскрытия.

Огромный успех в России и за рубежом романа, уловившего новую волну общественного интереса к межпланетным контактам и проблеме единства Вселенной, способствовал возникновению близкой к нему по теме повести Cor Serpentis (Сердце змеи, 1959), вошедшей в сб. Юрта Ворона (1960) и рассказывающей, в полемике с концепцией «борьбы миров» (Г.Уэллс), об органическом, обусловленном генетическим единством контакте землян с инопланетянами, утверждая общность законов развития всей Галактики и – в традициях антикизирующего, «языческого» просветительства – возможность ее объединения на основах взаимно признаваемых разума, любви и красоты. Отчетливы переклички этого произведения с романом Ефремова Таис Афинская (1972), насыщенном многочисленными историко-культурными реалиями и фактами. Здесь также проводится характерная для Ефремова идея равенства всех людей в сфере духа, а образцом гармонической личности выступает прославленная гетера.

В «романе приключений» Лезвие бритвы (1962) социально-философские размышления писателя аккумулируются в определенную концепцию эволюции человеческой цивилизации, для которой автор считает необходимым – во избежание исторических катастроф – следовать единственному в своей оптимальности магистральному узкому (подобному лезвию бритвы) пути. Своеобразным коррективом радужных перспектив Туманности Андромеды (а также социально-критическим обличением и предостережением) прочитывается социальная антиутопия Ефремова Час быка (1968), в которой жизнь на далекой планете Торманс, некогда заселенной землянами, построена по законам процветающей и всесильной бесчеловечной олигархии.

Умер Ефремов в Москве 5 октября 1972.