Báró Eötvös Ignác és báró Lilien Anna palotahölgy fia volt. Középiskolai tanulmányait a Királyi Katholikus Egyetemi Főgimnáziumban (ma: Budapesti Egyetemi Katolikus Gimnázium) végezte. Egyetemi tanulmányait pedig a pesti egyetemen bölcselet és történelem szakokon, 1826-tól 1831-ig. Szellemi fejlődésére nagy hatást gyakorolt nevelője, Pruzsinszky József, aki a francia felvilágosodás híveként felkeltette a fiatal Eötvös érdeklődését a politika és a filozófia iránt. Szoros barátságba került Szalay Lászlóval, aki megerősítette irodalmi hajlamait.

Jelen volt az 1832. évi országgyűlésen Pozsonyban, azalatt ügyvédi vizsgát tett. Már 1831-ben aljegyző lehetett Fejér megyében, 1835-ben pedig a magyar udvari kancelláriához került, ahol 1836-ban fogalmazói állást kapott. 1837-ben az eperjesi kerületi tábla közbírája lett. Közhivatalnoki pályája innen egészen kultusz- és közoktatási miniszterségéig megszakadt.

1836–1837-ben beutazta Németországot, Svájcot, Hollandiát, Franciaországot és Angliát. Már utazásának megkezdése előtt levelező tagjává választotta az Akadémia (1835. szeptember 14-én). Az Akadémia rendes tagjává 1839. november 23-án választotta. A későbbiekben 1855-ben másodelnökké, 1866. március 18-án pedig elnökké nevezi ki.

1840-ig a Borsod megyei Sályon élt, apja birtokán, és szinte teljes egészében az irodalomnak szentelte magát. Az 1840-es országgyűlés előtt előbb Budára, később Pestre tette át lakását.

Irodalmi munkásságának kezdete, kiváltképp a „Karthausi” című regénye nagy elismerést szerzett neki úgy az irodalomban, mint a közéletben. 1838. november 25-én a Kisfaludy Társaság is tagjának választotta, amelyet 1847-ben megújított, végül 1860. május 24-én elnökké választották.

Véleménynyilvánítása a számára fontos fogházjavítás kérdésében egész irodalmat teremtett; pártolóinak élén Szemere Bertalan állt. Jobbára az ő írása nyomán az 1840-es országgyűlés már az egyik legfontosabb feladatul tűzte ki a börtönviszonyok megjavításának ügyét, ezért országos bizottmányt nevezett ki, amelynek Eötvös is tagja volt. 1840-ben az országgyűlésen mint felsőházi tag szerepelt, az ellenzék soraiban. Többnyire pártolta és szónoklataival támogatta az alsóház előterjesztéseit. Csak néha tért el pártja nézeteitől, az utókor azonban a legtöbb esetben őt igazolta. Ennek egyik legkiemelkedőbb példája a vallásügy volt, amely végül is az ő önálló – korábban különcnek és gyanúsnak tartott – véleménye alapján került rendezésre.