Родился 30 ноября 1869 г. в Санкт-Петербурге в дворянской семье. Его отец - Андрей Иванович Сомов (1830-1909), был известным искусствоведом, более 20 лет проработал старшим хранителем Эрмитажа, имел чин тайного советника. Мать - Надежда Константиновна (1836-1906), происходила из дворянского рода Лобановых. Она дала своим детям - Константину, а также его старшему брату Александру и сестре Анне - начальное музыкальное и художественное домашнее образование.
В 1879-1888 гг. Константин Сомов учился в петербургской школе известного педагога Карла Мая. Вместе с другим выпускниками - Александром Бенуа, Вальтером Нувелем, Дмитрием Философовым, а также присоединившимися к ним позднее Сергеем Дягилевым и Львом Бакстом - участвовал в работе кружка по изучению истории искусств. Общество, созданное ими в 1887 г., получило название "Невские пиквикианцы", в честь романа Чарльза Диккенса "Посмертные записки Пиквикского клуба". Впоследствии, в 1898 г., по инициативе Дягилева сообщество было переименовано в объединение "Мир искусства", куда вошли также живописцы Константин Коровин, Валентин Серов, Виктор и Апполинарий Васнецовы, Михаил Врубель, Михаил Нестеров и др. Члены объединения выступали за отказ от академических традиций и идей передвижничества, за переосмысление наследия романтизма, модерна, рококо, раннего классицизма и др., считая приоритетным эстетическое начало в искусстве, свободное от социального или идеологического контекста. Позднее Сомов писал о себе как о человеке "безумно влюбленным в красоту" и готовым ей служить.
В 1888-1897 гг. Константин Сомов обучался в Академии художеств. В 1894 г., вскоре после окончания основного курса (1888-1892), был зачислен в мастерскую живописца и педагога Ильи Репина. В годы учебы писал портреты, пейзажи, создал картины "Дама у пруда" и "Людмила в саду Черномора", иллюстрации к произведениям Гофмана. Участвовал в петербургских экспозициях Академии художеств, а также в выставке "Blanc et Noir" ("Белое и черное"; 1894) Общества русских акварелистов.
В 1897 г. Константин Сомов покинул Академию и уехал в Париж. Там он до 1899 г. обучался в частной художественной школе (академии), основанной итальянским скульптором Филиппо Коларосси. В это же время во Франции жили и работали Александр Бенуа, Евгений Лансере, Лев Бакст.
Под влиянием европейского искусства сформировался стиль Сомова как представителя русского модерна и символизма. В Париже он написал портрет своего отца Андрея Сомова, автопортрет, картины "Беседка", "Конфиденции", "В детской", "Радуга" и др. Участвовал в выставке русских и финляндских художников, организованной Дягилевым в 1898 г. в петербургском Музее центрального училища технического рисования барона А. Л. Штиглица, а позднее - в Германии.
После возвращения в 1898 г. в Петербург Константин Сомов работал над оформлением журнала "Мир искусства".
В 1903 г. в Петербурге прошла его первая персональная выставка, где было представлено 162 работы - картины, эскизы и рисунки. Позднее их большая часть экспонировалась в Берлине и Гамбурге. В 1903-1910 гг. Сомов также участвовал в выставках, организованных Союзом русских художников, "Миром искусства", представлял свои картины в Париже, Венеции и др.
Константин Сомов оформлял периодическое издание "Художественные сокровища России" под редакцией Бенуа, сотрудничал с журналом "Золотое руно".
Занимался книжной графикой, работал в стиле русского модерна. Создал иллюстрации к "Графу Нулину" Александра Пушкина, повестям Николая Гоголя, сборнику эротической прозы французских авторов XVIII в., составленному Францем фон Блеем. Стал автором обложек книг Константина Бальмонта, Вячеслава Иванова, Александра Блока. Позднее оформлял монографию Сергея Дягилева о художнике Дмитрии Левицком, сочинения Александра Бенуа.
Константин Сомов известен также как автор скульптур малых форм, выполненных в куртуазном стиле. По его эскизам на Императорском фарфоровом заводе были отлиты композиции "Граф Нулин" (1899), "Влюбленные" (1905), "Дама, снимающая маску" (1906) и др. Художник работал также над созданием театрального занавеса московского Свободного театра (1913), эскизов балетных костюмов для Анны Павловой, Тамары Красавиной, афиш и программок для Эрмитажного театра (1899-1900) и театра в Петергофе (1902).
В 1913 г. он получил статус действительного члена Императорской Академии художеств, спустя год - академика.
В 1915 г. начал заниматься преподавательской деятельностью в частной художественной школе Елизаветы Званцевой.
В 1918 г. Константин Сомов стал профессором Петроградских государственных свободных художественных учебных мастерских, а годом позже в Третьяковской галерее была организована его персональная выставка, приуроченная к 50-летнему юбилею художника.
В декабре 1923 г. выехал в США в составе группы, сопровождающей Выставку русского искусства. Представлял интересы петроградских художников. Выставка, над каталогом которой Сомов работал вместе с Игорем Грабарем, открылась 8 марта 1924 г. в Нью-Йорке. Сомов представил на ней 38 своих работ.
В 1925 г. он уехал из США во Францию. В эмиграции продолжал заниматься живописью, участвовал в выставках. В 1927 г. создал серию из 50 акварельных миниатюр. Проиллюстрировал для издательства "Трианон" произведения Антуана Франсуа Прево "Манон Леско" и Лонга "Дафнис и Хлоя".
6 мая 1939 г. Константин Сомов скончался в Париже. Похоронен на кладбище Сент-Женевьев-де-Буа.
Картины художника экспонируются в Третьяковской галерее, Государственном Русском музее. Это жанровые сцены т. н. галантного века, портреты современников, выполненные в смешанной технике (карандаш с акварелью или гуашью), пасторальные пейзажи и др. В числе работ художника - портреты Александра Блока (1907), Федора Сологуба (1910), Сергея Рахманинова (1925), "Эхо прошедшего времени" (1903), "Арлекин и смерть" (1907), "Прогулка маркизы" (1909), "Арлекин и дама" (1912), "Итальянская комедия" (1914), "Интерьер с китайской статуэткой" (1923), "Вид через окно" (1934) и др. Одно из самых известных произведений - портрет бывшей соученицы Сомова по Академии художеств Елизаветы Мартыновой ("Дама в голубом", 1897-1900), ныне хранящийся в Третьяковской галерее. Он выполнен в традициях "Мира искусства": художник, соединяя прошлое и настоящее, изобразил свою современницу в старинном платье на фоне стилизованного парка XVIII в. Александр Бенуа называл Сомова "создателем идиллического стиля минувшей жизни".
Работы Константина Сомова дважды ставили рекорд на т. н. русских торгах аукционного дома Christie’s в Лондоне. В 2006 г. его картина "Русская пастораль" (1922) была продана за 2,4 млн фунтов стерлингов при стартовой цене 200 тыс. фунтов. В 2007 г. "Радугу" (1927) приобрел покупатель из России за 3,7 млн фунтов при оценочной стоимости в 400-600 тыс. фунтов стерлингов.