Родился 28 февраля 1922 г. в Петрограде (в 1924-1991 гг. - Ленинград, ныне Санкт-Петербург).
В 1939 г. поступил на филологический факультет Ленинградского государственного университета (ЛГУ, ныне Санкт-Петербургский госуниверситет).
В октябре 1940 г. был призван в армию, служил связистом в артиллерии. Участник Великой Отечественной войны 1941-1945 гг.
После демобилизации (в декабре 1946 г.) вернулся в ЛГУ и окончил университет в 1950 г. Из-за еврейского происхождения не смог остаться в аспирантуре.
Вскоре переехал в г. Тарту (Эстонская ССР, ныне Эстонская Республика), где ему была предложена должность преподавателя в Тартуском учительском институте. По совместительству читал курсы в Тартуском университете.
В начале 1952 г. на филфаке ЛГУ защитил диссертацию на соискание кандидата филологических наук по теме "А. Н. Радищев в борьбе с общественно-политическими воззрениями и дворянской эстетикой Карамзина".
В 1954 г. перешел на постоянную работу в Тартуский университет. В 1960-1977 гг. заведовал кафедрой русской литературы.
В 1961 г. в ЛГУ защитил докторскую диссертацию по теме "Пути развития литературы преддекабристского периода".
С 1963 г. был профессором Тартуского университета.
В конце 1980-х гг. Юрий Лотман создал серию познавательных телевизионных передач "Беседы о русской культуре".
Являлся членом-корреспондентом Британской национальной академии наук (1977), членом Норвежской академии наук (1987), академиком Шведской королевской академии наук (1989), членом Эстонской академии наук (1990), членом Союза писателей Эстонии.
Юрий Лотман занимался историей русской литературы конца XVIII - начала XIX вв., теорией литературы, историей русской культуры и общественной мысли. Был одним из основоположников структурно-семиотического метода изучения литературы и культуры в отечественной науке, одним из основателей Тартуско-московской семиотической школы.
Автор и соавтор более 800 научных работ и статей. В число его трудов входят: "Лекции по структуральной поэтике" (1964), "Анализ поэтического текста" (1972), "Семиотика кино и проблемы киноэстетики" (1973), "Роман А. С. Пушкина "Евгений Онегин": Комментарий" (1980), "Александр Сергеевич Пушкин: биография писателя" (1981), "Сотворение Карамзина" (1987), "Культура и взрыв" (1992) и др. После его смерти вышли "Беседы о русской культуре: быт и традиции русского дворянства (XVIII - начало XIX в.)" (1994), "Внутри мыслящих миров: человек - текст - семиосфера - история" (1996).
Юрий Лотман скончался 28 октября 1993 г. в Тарту.
Был награжден орденами Отечественной войны II степени (1945), Красной Звезды (1945), медалями "За отвагу" (1944), "За боевые заслуги" (1944).
Лауреат премии имени А. С. Пушкина (1993, РАН).