Роден е в учителско семейство. Баща му изоставя учителството и урежда книжарница и издателство в Стара Загора.
От детска възраст проявява интерес към литературата и рисуването.
През 1907 г. в детското вестниче "Славейче" е отпечатано първото му стихотворение.
Като ученик в Старозагорската гимназия (1907-1911) издава ръкописни вестници, съставя сборници, които сам илюстрира, пише хумористични, патриотични и интимни стохотворения; подписва се Гео Милев, Гео Касабов, Георги Милич, Гео Милич.
Ученическите му стихове са повлияни от творчеството на П. Славейков, когото смята за свой учител в поезията и естетиката.
През ученическите си години превежда от руски език стихове на А. С. Пушкин, М. Ю. Лермонтов, Н. А. Некрасов, А. С. Колцов, А. А. Фет и др.
Следва романска филология в Софийския университет (1911-1912).
Продължава образованието си в Лайпциг (1912-1914), където слуша лекции по философия и по театрално изкуство и пише дисертация за Р. Демел.
През декеври 1913 г. в сп. "Листопад" се появяват първите му публикации - "Литературно-художествени писма от Германия".
По това време Гео Милев е горещ привърженик на индивидуализма и естетизма; ориентира се в немската литература и в културния живот в Германия, увлича се от модерната немска поезия.
През юли 1914, след започването на Първата световна война, заминава за Лондон, където се запознава с английската литература, изучава английски език. Среща се с емигриралия белгийски поет Емил Верхарн.
Върнал се отново в Германия, за да продължи образованието си, Гео Милев заподозрян, че е английски шпионин, е арестуван в Хамбург от немската полиция. Поради липса на доказателства е освободен. Пристига в Лайпциг, но събитията го принуждават скоро да се прибере в България (1915).
Отпечатва в ограничен тираж литературни листове за Ст. Маларме, Р. Демел, П. Верлен, Ем. Верхарн и Фр. Ницше, които съдържат преведени от Милев стихове; всеки лист е посветенн на някого от младите поети-символисти - Н. Лилиев, Д. Дебелянов, Т. Траянов, Л. Стоянов и Н. Райнов.
Гео Милев поема грижите около книжарницата на баща си, който е мобилизиран.
През зимата на 1915-1916 заедно с Н. Икономов организира в Ст. Загора театрална трупа, която изнася няколко представления.
През март 1916 е призован да отслужи военната си повинност в ШЗО в Княжево. Оттам като старши подофицер е изпратен в 34-и троянски полк, който е на позиция при Дойран, срещу англичани и италиaнци. Назначен е за командир на разузнавателния апарат в града. На 29.04.1917 неговият пост е открит от англичаните и е подложен на артилерийски огън. Милев е тежко ранен в черепа и загубва дясното си око.
През февруари 1918 г. заминава със съпругата си за Берлин, за да бъде опериран; остава до март 1919 г. Въпреки няколкото операции по време на престоя си посещава библиотеки, музеи, изложби, театри. Революционният кипеж в Германия, който има възможност да наблюдава, по-късно отразява в някои откъси от "Грозни прози". В Берлин се запознава с новите явления в немската литература, свързва се с немски писатели и художници, превежда и печата експресионистичното списание "Акцион".
След като се завръща в София, Гео Милев издава списание "Везни" (1919-1922), което се оформя като трибуна на символизма и експресионизма в България.
Под влияние на новата обществено-политическа обстановка в страната пред 1922-23 възгледите му еволюират. Промяната в светогледа му е отразена на страниците на сп. "Пламък", което започва да излиза през януари 1924 г. В него Гео Милев печата статии, "Грозни прози", поемата "Септември", началото на поемата "Ад".
Заради поемата "Септември" книжка 7-8 на сп. "Пламък" е конфискувана, а Милев е даден под съд.
През януари 1925 г. списанието е забранено.
На 14 май 1925 Гео Милев е осъден на 1 година тъмничен затвор, глоба от 20 000 лв. и лишаване от граждански и политически права за 2 години.
Той решава да обжалва делото пред Апелационния съд, но на 15 май е арестуван от полицията и изчезва безследно; убит и заровен в общ гроб в Илиянци.
