西暦640年（舒明天皇12年）、 軽皇子（後の孝徳天皇）の皇子として誕生。 母は左大臣・阿倍内麻呂の娘・小足媛。天智天皇（父方の従兄にあたる）の娘、 明日香皇女・新田部皇女姉妹は母方の従妹になる。
西暦645年7月12日（皇極天皇4年6月14日）に父が即位し孝徳天皇となる。 孝徳天皇は同年の西暦646年1月1日（大化元年12月9日）に都を難波宮に移したが、 それに反対する皇太子の中大兄皇子（後の天智天皇）は西暦653年（白雉4年）に都を倭京に戻すことを求めた。 孝徳天皇がこれを聞き入れなかったため、 中大兄は勝手に倭京に移り、 皇族たちや群臣たちのほとんどや孝徳天皇の皇后である間人皇女までも、 中大兄に従って倭京に戻ってしまった。 失意の中、孝徳天皇は654年11月24日（白雉5年10月10日）に崩御した。 このため、西暦655年2月14日（斉明天皇元年1月3日）、 孝徳天皇の姉の宝女王（皇極天皇）が再び飛鳥板葺宮で斉明天皇として重祚した。
父の死後、 有間皇子は政争に巻き込まれるのを避けるために心の病を装い、 療養と称して牟婁の湯に赴いた。 飛鳥に帰った後に病気が完治したことを斉明天皇に伝え、 その土地の素晴らしさを話して聞かせたため、 斉明天皇は紀の湯に行幸した。 飛鳥に残っていた有間皇子に蘇我赤兄が近付き、 斉明天皇や中大兄皇子の失政を指摘し、 自分は皇子の味方であると告げた。 皇子は喜び、 斉明天皇と中大兄皇子を打倒するという自らの意思を明らかにした。 なお近年、有間皇子は母の小足媛の実家の阿部氏の水軍を頼りにし、 天皇たちを急襲するつもりだったとする説が出ている（森浩一『万葉集の考古学』など）。
ところが蘇我赤兄は中大兄皇子に密告したため、 謀反計画は露見し（なお蘇我赤兄が有間皇子に近づいたのは、中大兄皇子の意を受けたものと考えられている）、 有間皇子は守大石・坂合部薬たちと捕らえられた。 西暦658年12月9日（斉明天皇4年11月9日）に中大兄皇子に尋問され、 その際に「全ては天と赤兄だけが知っている。私は何も知らぬ」（天與赤兄知。吾全不知）と答えたといわれる。 翌々日に藤白坂で絞首刑に処せられた。享年19。
なお、処刑に先んじて、 磐代の地で皇子が詠んだ2首の辞世歌が『万葉集』に収録されている。 ただしこの2首については、 民俗学者・折口信夫により後世の人物が皇子に仮託して詠んだものではないかとも考えられている（『折口信夫全集』第29巻）。
有間皇子の死後、西暦701年（大宝元年）の紀伊国行幸時の作と思われる長意吉麻呂や山上憶良らの追悼歌が『万葉集』に残されている。 以降、歴史から忘れ去られた存在となるが、 平安後期における万葉復古の兆しと共に、 幾ばくか史料に散見されるようになり、 磐代も歌枕となる。 ただし『俊頼髄脳』では、 辞世歌が父・孝徳と喧嘩して出奔した際の歌とされているなど、 伝説化の一途を辿るようになる。 極端な例では、 江戸時代の『百人一首』の注釈書などでは「後即位」とまでなっている。 また、藤白神社の境内には、有間皇子を偲んで有間皇子神社が創建された。 藤白坂には「藤白の み坂を越ゆと 白樽の わが衣手は 濡れにけるかも」（『万葉集』巻9・1675）という、皇子を偲んだものと思しき作者不詳の歌碑も残っている。