Родился в еврейской семье[5]. Его отец — Михаил Львович Лотман (1882—1942), выпускник двух факультетов Петербургского университета: математического и юридического; впоследствии — юрисконсульт в различных издательствах. Мать — Сара Самуиловна (Александра Самойловна) Лотман (урождённая Нудельман, 1889—1963), портниха и швея, впоследствии зубной врач; три сестры — композитор Инна Михайловна Образцова (1915—1999), литературовед Лидия Михайловна Лотман (1917—2011) и врач Виктория Михайловна Лотман (1919—2003)[6].
В октябре 1940 года со второго курса университета был призван на военную службу. Участник Великой Отечественной войны[7]. Служил связистом в артиллерии. Гвардии сержант, командир отделения связи 1-й батареи 68-го гвардейского армейского пушечного артиллерийского полка, командир отделения связи управления 3-го дивизиона 38-й гвардейской армейской пушечной артиллерийской бригады. Был контужен, за боевые отличия награждён орденом Красной Звезды (22.03.1945), двумя орденами Отечественной войны II степени (17.05.1945, 06.04.1985), медалью «За отвагу» (05.10.1944), медалью «За боевые заслуги» (10.02.1944). Демобилизован в 1946 году[3][8]. Член ВКП(б) с апреля 1943 года (партийный билет № 5406425)[9].
После окончания Ленинградского университета в 1950 году получил место старшего преподавателя Педагогического института в Тарту. В 1952 году защитил кандидатскую диссертацию «А. Н. Радищев в борьбе с общественно-политическими воззрениями и дворянской эстетикой Н. М. Карамзина». С 1954 года в Тартуском университете, в 1960—1977 годах — заведующий кафедрой русской литературы, с 1963 года — профессор[3]. Докторскую диссертацию «Пути развития русской литературы преддекабристского периода» защищал в Ленинградском университете в 1961 году[10] (официальный оппонент — Г. П. Макогоненко[11]).
Лотман — один из первых разработчиков структурно-семиотического метода изучения литературы и культуры в советской науке, основоположник Тартуско-московской семиотической школы[3].
В начале января 1970 года сотрудники КГБ провели в квартире Лотмана обыск по делу Натальи Горбаневской, с которой он был знаком, его допрашивали как свидетеля по делу Горбаневской. Поездки за рубеж ему были запрещены[12][13].
Только в 1975 году вышла его первая пушкиноведческая работа[4].
В 1993 году Юрий Лотман стал лауреатом академической премии им. А. С. Пушкина с формулировкой: за работы: «Александр Сергеевич Пушкин. Биография писателя» и «Роман А. С. Пушкина „Евгений Онегин“. Комментарий»[15]. 28 октября того же года умер в Тарту и был похоронен на кладбище Раади.
По мнению его ученицы и секретаря Татьяны Кузовкиной, для него наиболее значимыми были работы последних лет — монографии «Культура и взрыв» и «Непредсказуемые механизмы культуры»[4].
В центре внимания Лотмана находятся вопросы культуры и искусства, которые он рассматривает как «вторичные моделирующие системы». Первичной моделирующей системой при этом оказывается язык. Помимо статичных систем существуют динамичные действия. Например, язык — это система, а коммуникация — это действие. Основным действием культуры и искусства является борьба с энтропией и хранение информации, а также коммуникация между людьми. Искусство при этом является составной частью культуры наряду с наукой.
Лотман разрабатывает семиотику как науку о знаковых системах. Упорядоченной знаковой системой для передачи информации оказывается язык, который не сводится к своей звуковой или графической форме. Знаки являются «материально выраженными заменами предметов, явлений, понятий в процессе обмена информацией в коллективе». «Константное отношение» знака к заменяемому объекту Лотман именует семантикой. Знаки Лотман делит на «условные» (красный свет светофора, слово) и «изобразительные или иконические» (рисунок, дорожный знак). Однако знаки существуют не сами по себе, а в системе других таких же знаков. Те же рисунки обладают большей понятностью и не требуют специальной дешифровки лишь в границах определённого «культурного ареала».
Немаловажное значение в философии Лотмана занимает информация, которую он уравнивает со значением. Информация не просто знание, но знание в процессе перехода от незнания. Поэтому трюизм и банальность неинформативны. Вместе с тем задача искусства заключается в наделении объекта значением, то есть в создании информации.
Разбирая проблемы «киноэстетики» (философии кино), Лотман отмечает, что в кино снято противоречие между иконическими и условными знаками, а значит — между словесным и изобразительным искусством. Кино претендует на предельную достоверность, ибо оно производно от движущихся фотографий, которые призваны были максимально точно запечатлевать (документировать) реальность. Единицей дискретного «кинопространства» и «киновремени» для Лотмана является кадр.
Имел пессимистические взгляды на исторический процесс: считал, что победа декабристов в 1825 году привела бы к борьбе за власть между северным и южным обществом, «цензуре похлеще Николаевской» и приходу к власти Нечаева, которого учёный приравнивал по жестокости к Сталину.
О содержании и структуре понятия «художественная литература» (1973)
Замечания о структуре повествовательного текста (1973)
Каноническое искусство как информационный парадокс (1973)
К функции устной речи в культурном быту пушкинской эпохи (1979)
Литературная биография в историко-культурном контексте (К типологическому соотношению текста и личности автора) (1986)
Массовая литература как историко-культурная проблема (1991)
Jurij Lotman. Kultūros semiotika: straipsnių rinktinė / sudarė Arūnas Sverdiolas; iš rusų kalbos vertė Donata Mitaitė. Vilnius: Baltos lankos, [2004] (Vilniaus spauda). XV, 366, [1] p. (Atviros Lietuvos knyga: ALK, ISSN 13921673). Tir. 2000 egz. ISBN 9955-00-091-0.
«Aleksandr Sergejevitš Puškin» (monograafia). Tõlkinud Piret Lotman. Eesti Raamat, Tallinn 1986; 2., täiendatud trükk: Varrak, Tallinn 2003, 332 lk; ISBN 9985307569; 3. trükk: Varrak 2006, 332 lk; ISBN 9985312767
«Kultuurisemiootika: tekst — kirjandus — kultuur». Tõlkinud Pärt Lias, Inta Soms, Rein Veidemann. Olion, Tallinn 1991, 422 lk; ISBN 5-450-00480-X; 2. trükk: Olion 2006, 360 lk; ISBN 9789985664841
«Semiosfäärist». Koostanud ja tõlkinud Kajar Pruul. Järelsõna «Semiootika piiril»: Peeter Torop. Sari Avatud Eesti Raamat, Vagabund, Tallinn 1999, 416 lk; ISBN 9985835379
«Vestlusi vene kultuurist: Vene aadli argielu ja traditsioonid 18. sajandil ja 19. sajandi algul» I—II. Tõlkinud Kajar Pruul. 1. köide: Tänapäev, Tallinn 2003, 368 lk; ISBN 9985621239; 2., parandatud trükk 2006, 368 lk; ISBN 9985621239. 2. köide: Tänapäev, Tallinn 2006, 288 lk; ISBN 9985621239
28 февраля 2009 года в Тарту была открыта мемориальная доска на доме № 7 по Лаулупео пуйестее[эст.] (бульвар Праздника песни) — ранее улица Виктора Кингисеппа, 53 — где Ю. М. Лотман провёл последние годы жизни[20].
В 2016 году вышли мемуары Ф. С. Сонкиной «Юрий Лотман в моей жизни. Воспоминания. Дневники. Письма»[21][22].
В 2022 году АО «Марка» была выпущена почтовая карточка с литерой «В», посвящённая 100-летию со дня рождения Ю. М. Лотмана[23].
2012 год: К 90-летию со дня рождения Ю. М. Лотмана снят документальный фильм «Пространство Юрия Лотмана» (телеканал «Культура», реж. Генрих Зданевич)
2013 год: «Счастливые единомышленники. Юрий Лотман и Зара Минц» (документальный фильм в цикле «Больше, чем любовь» телеканала «Культура», авт. сцен. и реж. Алёна Суржикова)
РАН.Премия имени А. С. Пушкина.Присуждается за выдающиеся работы в области русского языка и литературы(неопр.)(Список награждённых).www.ras.ru.Официальный сайт РАН.— Данные с 1971 года.Дата обращения: 15 февраля 2014.Архивировано 27 февраля 2014 года.
Лотман Ю. М. Беседы о русской культуре: Быт и традиции русского дворянства (XVIII — начало XIX века) / составление альбома иллюстраций и комментарии к ним Р. Г. Григорьева; художник А. В. Ивашенцева. — СПб.: Издательство «Искусство — СПБ», 1994. — 399 с., 5 л. ил. — ISBN 5-210-01468-1.
Егоров Б. Ф.Личность и творчество Ю. М. Лотмана // Лотман Ю. М. Пушкин: биография писателя. Статьи и заметки (1960—1990). «Евгений Онегин»: комментарий. — СПб.: Искусство, 1995. — С. 5—20.
Леута О. Н. Теория художественного текста в трудах Ю. М. Лотмана: эстетические проблемы. Диссертация … кандидата философских наук: 09.00.04. — М., 2003. — 155 с.
Парсамова В. Я. Языковая личность учёного в эпистолярных текстах: на материале писем Ю. М. Лотмана. Диссертация … кандидата филологических наук: 10.02.01. — Саратов, 2004. — 223 с.