Sandro Botticelli wurde entweder am 1. März 1444 oder 1445 als Alessandro di Mariano Filipepi geboren. Sein Vater war der Lohgerber Mariano di Vanni d'Amedeo Filipepi in der Via Nuova im Florentiner Arbeiterviertel Ognissanti. Sein Spitzname Botticelli, der sich von „botticello“, dem „Fässchen“, ableitet, stammte laut Vasari von seinem Bruder Giovanni – eigentlich hieß der ältere Bruder so.
Da sich Sandro Botticelli in der Schule nicht sehr fleißig zeigte, gab ihn sein Vater zu seinem Bruder Antonio, einem Goldschmied, in die Lehre. Dieser Ausbildung schloss eine Lehre bei Fra Filippo Lippi (1406–1469) in Prato an (1462/4–1466/7). Lippi malte gerade den Chor des Domes von Prato aus, danach arbeitete er in Spoleto. Danach arbeitete er in der Werkstatt von Andrea del Verrocchio (1435–1488) als Lehrling oder Gehilfe. Hier könnte er den gleichzeitig in der Werkstatt tätigen Leonardo da Vinci getroffen haben.
Die frühesten eigenständigen Bilder von Sandro Botticelli ist eine Reihe von Madonnenbildern, darunter die „Madonna mit Kind und zwei Engeln“ (1468/69). Etwa 1470 machte sich Sandro Botticelli in Florenz selbständig. Tommaso Soderini beauftragte den 25-jährigen Maler mit der „Tapferkeit [Fortitudo]“ (Uffizien) für das Gericht im Palazzo dei Mercanti (Mercanzia). Die anderen Werke wurden an Piero del Pollaiuolo vergeben. In diesem Werk zeigt sich der Stil Botticellis bereits voll ausgereift und der Maler als fähiger Konstrukteur der Perspektive. Hier zeigt sich bereits die Dominanz der Linie, die für die gesamte Bildproduktion von Botticelli charakteristisch werden würde.
Zu den berühmtesten religiösen Bildern der Frühzeit zählen „Der heilige Sebastian“ (1465–1470, Gemäldegalerie Berlin) und die „Anbetung der Könige“ (1475/6, Uffizien), letzteres entstand ursprünglich als Altarbild für die Kirche Santa Maria Novella. Zur gleichen Zeit war Botticelli in der Werkstatt von Andrea Verrocchio tätig, der ihn wie zuvor Fra Filippo Lippi entscheidend prägte.
Ende der 1470er Jahre stieg Sandro Botticelli zu den gefragtesten Malern in Florenz auf. Nach der Pazzi-Verschwörung 1478 hielt Botticelli einige Verurteilte in einem öffentlichen, nicht erhaltenen Schandgemälde fest. In den folgenden Jahren entstanden wohl seine berühmtesten Bilder: „La Primavera [Der Frühling]“ und „Geburt der Venus“ (beide Uffizien). Filippino Lippi (um 1547–1504), der uneheliche Sohn seines eigenen Lehrers, arbeitete in Botticellis Werkstatt mit.
Bevor er 1481/82 neben anderen Florentiner Meistern an der Freskierung der Sixtinischen Kapelle in Rom arbeitete, führte er in der Ognissanti Kirche in Florenz einen „Hl. Augustinus“ im Studierzimmer aus (1480). In Rom zeichnete er für die „Versuchung Christi durch den Teufel“, die „Bestrafung der Rebellen“ und den „Prozess von Moses“ verantwortlich. Im gleichen Jahr wurde die Florentiner Dante-Ausgabe publiziert und Botticellis Zeichnungen als Vorlagen für einigen Höllen-Darstellungen genutzt.
Bis zum Tod von Lorenzo de’ Medici im Jahr 1492 sind vor allem Sandro Botticellis religiöse Werke entstanden: der Bardi-Altar (1484/85), der Altar von S. Barnaba (1487–1489), die „Verkündigung“ aus Cestello (1489/90) und die „Marienkrönung“ aus S. Marco (um 1490/92, Uffizien) gehören zu den wichtigsten erhaltenen Werken.
Ob die „Beweinung Christi“ (um 1490/95, Alte Pinakothek, München) für das Florentiner Kanonikerstift S. Paolino bereits auf den Einfluss des Bußpredigers zurückzuführen sei, oder sich aus der Werkentwicklung erklären lässt, ist heute hauptsächlich zugunsten der Entwicklung beantwortet. Die Vertreibung der Medici durch Girolamo Savonarola und die Regentschaft desselben in Florenz führte zu einer spartanischen, spirituelleren Kunstausübung (1494–1498).
Das Spätwerk von Sandro Botticelli ist gekennzeichnet von archaisierenden Elementen, harter Zeichnung und Modellierung der Figuren und ihrer Gewänder sowie kalt leuchtendem, kontrastreichem Kolorit. Es gilt als erwiesen, dass der Florentiner Maler mit großer Sensibilität für die gesellschaftlich-religiösen Umbrüche die zunehmende Intellektualisierung bzw. Spiritualisierung seiner Bildsprache betrieb. Dazu gehören auch der tiefe Ernst und die in ruhiger Würde gebundene Expressivität seiner Figuren.
Die letzten Bildern von Sandro Botticelli sind die „Beweinung Christi“ (1495–1500, Mailand, Museo Poldi Pezzoli) und die „Mystische Geburt Christi“ (1501, The National Gallery, London), das einzige signierte und datierte Gemälde. Nach 1501 konnte Botticelli, möglicherweise wegen einer Behinderung, nicht mehr selbst malen, während seine Werkstatt weiterarbeitete.
Dokumente über das Leben des knapp 75-jährigen Malers sind selten. Im Jahr 1502 erwähnte der Florentiner Agent von Isabella d’Este Sandro Botticelli in einem Brief. Im gleichen Jahr wurde er wegen Sodomie angeklagt aber nicht strafrechtlich verfolgt. Dass dadurch der Ruf Botticellis nicht gänzlich beschädigt war, zeigt, dass er 1504 einem Komitee angehörte, das über die Aufstellung von Michelangelos „David“ entschied.
Am 17. Mai 1510 wurde Sandro Botticelli in Florenz am Friedhof der Kirche Ognissanti begraben.