Родился 28 февраля 1922 года, в Петрограде, в еврейской семье. Его отец — Михаил Львович Лотман, выпускник Петербургского университета по математическому и юридическому факультетам, впоследствии юрисконсульт в различных издательствах; мать — Сара Самуиловна (Александра Самойловна) Лотман (урождённая Нудельман), портниха и швея, впоследствии зубной врач.
Учился в Петришуле с 1930 по 1939 год, затем поступил на филологический факультет Ленинградского университета. Свою первую курсовую работу студент Лотман писал у В. Я. Проппа.
В октябре 1940 года со второго курса университета был призван на военную службу. Участник Великой Отечественной войны. 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 награжден орденом Красной Звезды (22.03.1945), орденом Отечественной войны II степени (17.05.1945), медалью «За отвагу» (05.10.1944), медалью «За боевые заслуги» (10.02.1944). Демобилизован в 1946 году.
Член ВКП(б) с апреля 1943 года.
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. Докторскую диссертацию «Пути развития русской литературы преддекабристского периода» защищал в Ленинградском университете в 1961 году (официальный оппонент — Г. П. Макогоненко).
Лотман — один из первых разработчиков структурно-семиотического метода изучения литературы и культуры в советской науке, основоположник Тартуско-московской семиотической школы.
Член-корреспондент Британской академии наук (1977), член Норвежской академии наук (1987), академик Шведской королевской академии наук (1989) и член Эстонской академии наук.
В начале января 1970 года сотрудники КГБ провели в квартире Лотмана обыск по делу Натальи Горбаневской. Поездки за рубеж ему были запрещены.
В конце 1980-х годов создал серию познавательных телевизионных передач «Беседы о русской культуре». Во время перестройки участвовал в политической жизни Эстонии.
В октябре 1988 года был избран в совет уполномоченных Народного фронта Эстонии. В 1993 году 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».
Умер 28 октября 1993 года в Тарту, похоронен там же, на кладбище Раади.
