Родился 22 декабря 1961 г. в г. Хрущёве (ныне Светловодск) Кировоградской области Украинской ССР (ныне Украина).
В 1983 г. с отличием окончил Харьковское высшее военное авиационное училище летчиков им. дважды Героя Советского Союза С. И. Грицевца по специальности "командная тактическая авиация" (квалификация - военный летчик-инженер). В 1993 г. заочно - Военно-воздушную инженерную академию им. профессора Н. Е. Жуковского (ныне Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина) с присвоением квалификации офицера с высшим военным образованием.
С декабря 1983 г. служил летчиком, с ноября 1984 г. - старшим летчиком, с ноября 1986 г. - командиром авиационного звена истребительного авиационного полка ВВС Одесского военного округа в гор. Тирасполе Молдавской ССР (ныне Молдавия, территория непризнанной Приднестровской Молдавской Республики). Военный летчик III класса (1984). К моменту зачисления в отряд космонавтов налетал около 830 часов, выполнил более 150 прыжков с парашютом.
26 марта 1987 г. Юрий Маленченко был отобран для зачисления в отряд космонавтов и 6 октября того же года приказом Минобороны СССР назначен на должность кандидата в космонавты-испытатели Центра подготовки космонавтов (ЦПК) им. Ю. А. Гагарина. В 1989 г. ему была присвоена квалификация космонавта-испытателя.
Свой первый полет совершил в июле - ноябре 1994 г. в качестве командира корабля "Союз ТМ-19" и 16-й основной экспедиции на российскую станцию "Мир" вместе с Талгатом Мусабаевым (Казахстан). В ходе полета Маленченко дважды выходил в открытый космос.
В 1995 г. получил квалификацию инструктора-космонавта-испытателя.
8-20 сентября 2000 г. был членом экипажа американского шаттла Atlantis ("Атлантис", миссия STS-106). Работал на Международной космической станции (МКС), совершил один выход в открытый космос.
Третий полет состоялся в апреле - октябре 2003 г. в качестве командира корабля "Союз ТМА-2" и 7-й основной экспедиции МКС, бортинженером МКС-7 был американский астронавт Эдвард Лу. Во время полета Юрий Маленченко зарегистрировал брак с американкой русского происхождения Екатериной Дмитриевой. Церемония состоялась 10 августа дистанционно, невеста находилась в Центре управления полетами в Хьюстоне (штат Техас, США). Подобный случай в истории космонавтики является единственным. Разрешение на проведение запланированного бракосочетания в Хьюстоне было получено от НАСА после того, как орбитальная командировка российского космонавта была продлена до октября (по плану он должен был вернуться на Землю в августе). От лица жениха документы подписал американский юрист, законодательство штата Техас допускает проведение бракосочетания при отсутствии одного из молодоженов.
В 2006 г. Юрий Маленченко стал инструктором-космонавтом-испытателем I класса отряда космонавтов ЦПК.
В ходе очередного космического полета, состоявшегося в октябре 2007 г. - апреле 2008 г., был командиром "Союза ТМА-11" и бортинженером МКС-16 (командир экспедиции - астронавт США Пегги Уитсон). За время полета Маленченко один раз выходил в открытый космос.
В 2009 г. был уволен в запас в звании полковника ВВС РФ. После ухода с военной службы остался работать в ЦПК инструктором-космонавтом-испытателем I класса.
В июле - ноябре 2012 г. Юрий Маленченко выполнил полет в космос как командир корабля "Союз ТМА-05М" и бортинженер экспедиции МКС-32/33. Работал на МКС вместе с американкой Сунитой Уилльямс и японцем Акихико Хошиде, совершил один выход в открытый космос.
В 2014-2016 г. занимал должность инструктора-космонавта-испытателя I класса отряда ЦПК и одновременно возглавлял 1-е управление (по подготовке космонавтов, летно-космическим испытаниям пилотируемых космических аппаратов, научным исследованиям и прикладным работам в космосе и оценке безопасности полетов).
В декабре 2015 г. - июне 2016 г. совершил полет в качестве командира "Союза ТМА-19М" и бортинженера экспедиции МКС-46/47. Из-за сбоя автоматики Юрию Маленченко пришлось в ручном режиме провести стыковку корабля с орбитальной станцией. Работал на МКС вместе с астронавтом НАСА Тимоти Копрой и астронавтом Европейского космического агентства, представителем Великобритании Тимоти Пиком, выполнил один выход в открытый космос.
В общей сложности за шесть полетов Юрий Маленченко провел на околоземной орбите 827 суток 9 часов 23 минуты. По суммарному налету в космос он занимает второе место в мире после Геннадия Падалки (878 суток 11 часов 29 минуты за пять полетов). На счету Маленченко шесть выходов в открытый космос общей продолжительностью 34 часов 49 минут.
6 сентября 2016 г. выбыл из отряда космонавтов. В октябре того же года был назначен на должность первого заместителя начальника Центра подготовки космонавтов. В 2019 г. стал советником начальника ЦПК.
Герой Российской Федерации (1994).
Награжден орденами "За военные заслуги" (2000), "За заслуги перед Отечеством" II, III и IV степеней (2017, 2014, 2008), медалями "За отличие в военной службе" I, II и III степеней, "За безупречную службу" III степени (1990), "За воинскую доблесть" I степени (2000), "За заслуги в освоении космоса" (2011). Имеет благодарность президента РФ (2001).
Лауреат премии правительства РФ им. Ю. А. Гагарина в области космической деятельности (2016, "за создание технологии многосегментной подготовки к полету экипажей международной космической станции").
В 1995 г. за совместный полет с Талгатом Мусабаевым был удостоен звания Народного Героя ("Халык кахарманы") Республики Казахстан (1995) и ордена "Отечество" ("Отан").
Отмечен медалью НАСА "За космический полет".
Летчик-космонавт РФ (1994).