Родился 26 ноября (8 декабря н.с.) в Петербурге в семье, принадлежавшей к старинному роду удельных князей Черниговских. Получил хорошее домашнее образование. С юных лет проявлял интерес к литературе.
Отец — генерал-майор кн. Иван Сергеевич Одоевский (1769 — 6.4.1839), мать — кж. Прасковья Александровна Одоевская (двоюродная сестра отца, ум. 9.10.1820). Воспитывался дома, зачислен на службу в Кабинет его величества канцеляристом — 11.2.1815, губернский секретарь — 31.12.1818, уволен — 1820, поступил на правах вольноопределяющегося унтер-офицером в л.-гв. Конный полк — 1.10.1821, признан в дворянском достоинстве и вследствие повеления цесаревича Константина Павловича произведен в юнкеры — 4.11.1821, эстандарт-юнкер — 1.5.1822, корнет — 23.2.1823. Друг А.С. Грибоедова, А. А. Бестужева и К.Ф. Рылеева. За ним в Ярославской и Вологодской губерниях 371 душа.
Член Северного общества (1825), участник восстания на Сенатской площади.
Добровольно явился к петербургскому обер-полицмейстеру А.С. Шульгину — 16.12.1825; 17.12 помещен в Петропавловскую крепость («Одоевского посадить в Алексеевском равелине») в №16 Алексеевского равелина.
Осужден по IV разряду и по конфирмации 10.7.1826 приговорен в каторжную работу на 12 лет, срок сокращен до 8 лет — 22.8.1826. После приговора оставался в Петропавловской крепости, с высочайшего соизволения (5.9.1826 в Москве) отцу его было разрешено свидание с сыном. Отправлен в Сибирь — 2.2.1827 (приметы: рост 2 аршина 7 7/8 вершков, «лицо белое, продолговатое, глаза темнокарие, нос остр, продолговат, волосы на голове и бровях темнорусые, на левой брови небольшой шрам от конского ушиба»), доставлен в Читинский острог — 20.3.1827, написал ответ («Струн вещих пламенные звуки...») на стихотворное послание А.С. Пушкина к декабристам в Сибирь, прибыл в Петровский завод в сентябре 1830. По указу 8.11.1832 обращен на поселение в Тельминскую казенную фабрику Иркутской губернии, откуда 2.4.1833 написал Николаю I письмо о своем раскаянии с просьбою о прощении. С 1833 находился в с. Елани Иркутской губернии, где построил себе дом, а оттуда с высочайшего разрешения 23.5.1836 по ходатайству отца, поддержанному кн. И.Ф. Паскевичем, переведен в Ишим Тобольской губернии. При отъезде из Елани «все домообзаведение свое» передал 20.9.1836 декабристу В.И. Штейнгейлю. По высочайшему повелению (письмо военного министра гр. Чернышева 21.7.1837) определен рядовым в Кавказский отдельный корпус, причем разрешено от Казани следовать к месту назначения на почтовых с жандармом, зачислен в Нижегородский драгунский полк — 7.11.1837. Был близок с М.Ю. Лермонтовым, служившим с ним в одном полку. Лермонтов посвятил Одоевскому стихотворение «Памяти А.И. Одоевского», в 1839 в Пятигорске познакомился с Н.П. Огаревым. Умер в Псезуапе от малярии во время экспедиции на восточный берег Черного моря.