其父为湖北巡抚谭继洵，5岁读书，15岁学诗，20岁学文。钻研儒家典籍，广泛涉猎文史百科，对中国国学有较深造诣。同时其又致力自然科学之探讨，鄙视科举，喜好今文经学。后往来于直隶、甘肃、新疆、陕西、河南、湖北、湖南、江西、江苏数省，察视风土，结交名士，有“风景不殊，山河顿异；城郭犹是，人民复非”的感慨。

1895年中日《马关条约》签订，谭嗣同异常不满，即努力提倡新学，呼号变法，并在家乡组织算学社，集同志讲求钻研，同时在南台书院设立史学、掌故、舆地等新式课程，开湖南全省维新风气之先。1896年2月入京，结交梁启超、翁同和等人。旋奉父命，入赀为江苏候补知府，供职南京。

曾游历天津、湖南、湖北等地。1896年底重抵南京，闭户养心读书，成《仁学》2卷。1897年，协助湖南巡抚陈宝箴等人设立时务学堂，筹办内河轮船、开矿、修筑铁路等新政。1898年，创建南学会、主办《湘报》，积极宣传变法，成为维新运动的激进派。同年4月，得翰林院侍读学士徐致靖推荐，被征入京，擢四品卿衔军机章京，与林旭、杨锐等人参与新政，时号“军机四卿”。

当宫中后党密谋政变，光绪帝传密诏康有为等设法相救时，即“拔刀以救上自任”。9月18日夜，谭嗣同前往法华寺争取袁世凯支援，杀荣禄、囚慈禧，不料袁世凯向荣禄告密。变法失败后，于1898年9月28日在北京宣武门外的菜市口刑场英勇就义，临刑前高呼：“有心杀贼，无力回天。死得其所，快哉快哉！”同时被害的维新人士还有林旭、杨深秀、刘光第、杨锐、康广仁，六人并称“戊戌六君子”。后人将其著作编为《谭嗣同全集》。