清幹隆五十九年三月二十四日（1794年4月23日），魏源生於湖南邵陽縣金潭（今邵陽市隆回縣司門前）。7歲從塾師劉之綱、魏輔邦讀經學史，常苦讀至深夜。母憐其過勤，每夜定時熄燈令臥，他伺二老熟寐，以被遮燈默讀。9歲赴縣城應童子試，考官指著畫有“太極圖”的茶杯提出“杯中含太極”囑對。魏源摸著懷中二麥餅對曰：“腹內孕幹坤。”考官大為驚異。嘉慶十五年（1810）庚午科取秀才。嘉慶十六年（1811）辛未歲試補廩膳生。嘉慶十八年癸酉科選拔貢。嘉慶二十五年（1820）全家遷居江蘇揚州新城。道光二年（1822）壬午科中式舉人第二名。道光五年（1825）受江蘇布政使賀長齡之聘，輯《皇朝經世文編》120卷；又助江蘇巡撫陶澍辦漕運、水利諸事。撰《籌漕篇》、《籌齒差篇》和《湖廣水利論》等。
道光九年（1829）應禮部會試，與龔自珍雙雙落第，房考劉逢祿作《兩生行》哀之，從此龔魏齊名。魏捐內閣中書舍人候補，內閣藏書豐富，乃博覽史館秘閣官書及士大夫私家著述。時社會動亂加劇，他目睹江華瑤民起義，深感清政權的腐敗；道光二十年爆發了鴉片戰爭，外國侵略危機使他更加憤激，進一步激發了愛國熱情。
道光十二年（1832），魏源來到南京即相中地處城西清涼山下烏龍潭邊，，史稱"詩巷"的龍蟠裏東側購地建3進草堂，初始魏源為愛屋起名"湖子草堂"後改名"小卷阿"。並在潭邊淺水處建有"宛在亭"。魏源後半生，長年居住此處，其名著《海國圖誌》即在此處撰寫完成。其間，他與時任江蘇巡撫的林則徐往來甚密。
道光二十一年（1841），魏源入兩江總督裕謙幕府，直接參與抗英戰爭，並在前線親自審訊俘虜。後見清政府和戰不定，投降派昏庸誤國，憤而辭歸，立誌著述。道光二十二年（1842）完成了《聖武記》，敘述了清初到道光年間的軍事曆史及軍事製度。在文中提出“今夫財用不足國非貧，人材不競之謂貧；令不行於海外國非贏，令不行於境內之謂贏。故先王不患財用，而惟亟人材；不憂不逞誌於四夷，而憂不逞誌於四境。官不材，則國禎富；境無廢令，則國柄強”的人才論觀點。
道光二十四年（1844）甲辰，魏源再次參加禮部會試，中進士，以知州用，分發江蘇，任東台、興化知縣。期間改革鹽政、築堤治水。他依據林則徐所輯的西方史地資料《四州誌》，參以曆代史誌、明以來《島誌》及當時夷圖夷語編成《海國圖誌》50卷，後經修訂、增補、到鹹豐二年（1852）成為百卷本。它囊括了世界地理、曆史、政製、經濟、宗教、曆法、文化、物產。對強國禦侮、匡正時弊，振興國脈之路作了探索。提出“以夷攻夷”、“以夷款夷”，和“師夷之長技以製夷”的觀點，主張學習西方製造戰艦、火械等先進技術和選兵、練兵、養兵之法，改革中國軍隊。為了捍衛中國的獨立自主，他號召“以甲兵止甲兵”，相信中國人能戰勝外國侵略者。他告誡人們在“英吉利蠶食東南”之時，勿忘“鄂（俄）羅斯並吞西北之野心”。他提倡創辦民用工業，允許私人設立廠局，自行製造與銷售輪船、火器等，使國家富強。他主張革新，要求“去偽、去飾、去畏難、去養癰、去營窟”；“以實事程實功，以實功程實事。”並在《默觚》中發揮了“變古愈盡，便民愈甚”和“及之而後知，屨之而後艱”的主張，實為近代中國改良思想的前驅。對清王朝長期昧於世界大事，夜郎自大，固步自封，封關鎖國的閉關政策和媚外求和的路線予以犀利的批判。正如梁啟超在《論中國學術思想變遷之大勢》中指出：“《海國圖誌》對日本‘明治維新’起了巨大影響，認為它是“不龜手之藥”。在《中國近三百年學術史》中指出：“《海國圖誌》之論，實支配百年來之人心，直至今日猶未脫離淨盡，則其在中國曆史上關係不得謂細也。”
鹹豐元年（1851），魏源授高郵知州，公餘整理著述，鹹豐三年（1853）完成了《元史新編》。後以“遲誤驛報”，“玩視軍機”革職。旋複職，他以年逾六旬，遭遇坎坷，以世亂多故而辭去。晚年，潛心學佛，法名承貫，輯有《淨土四經》。鹹豐七年三月初一日（1857年3月26日）卒於杭州東園僧舍。終年63歲，葬杭州南屏山方家峪。