Il naît à Agrigente (Sicile) en 1867 au sein d’une famille nombreuse et fortunée. Il suit des études à Rome puis à Bonn, revient en Italie (1892) où il enseigne la littérature italienne à l’Istituto Superiore di Magistero de Rome en 1897, poste dont il devient titulaire en 1908 et qu’il conserve jusqu’en 1922. Il démarre une carrière d’écrivain en publiant des nouvelles, genre qu’il n’abandonnera jamais, malgré les succès rencontrés au théâtre. Il épouse la fille de l’associé de son père qui lui apporte une belle dote, mais il s’agit d’un mariage arrangé par les familles, qui ne sera pas heureux, d’où naîtront trois enfants.
Il publie en 1894 Amours sans amour, son premier recueil de nouvelles dont les personnages appartiennent à la petite bourgeoisie provinciale, en 1898 l’Étau, sa première pièce et en 1901 son premier roman, L’Exclue. Une crise économique bouleverse le patrimoine familial, la crise de démence de son épouse accable sa vie conjugale, mais il n’envisage pas de la faire interner. Pirandello pense un temps au suicide, reprend courage en s’investissant dans son travail de créateur. Il publie en 1904 un roman, Feu Mathias Pascal ; le succès remporté lui ouvre les portes d’une grande maison d’édition et lui assure la sécurité matérielle. Il fait paraître un essai sur l’humour en 1908, collabore l’année suivante au Corriere della Sera ; en 1910 L’Étau et Cédrats de Sicile sont représentés pour la première fois au Teatro Metastasio de Rome. L’année 1915, l’Italie entre en guerre, ses fils Stefano et Fausto partent pour le front où Stefano est fait prisonnier, la maladie de son épouse s’amplifie ; elle sera finalement internée en 1919. En 1917, publication de ses premières grandes pièces de théâtre : À chacun sa vérité, La Volupté de l’honneur puis C’était pour rire (1918), Tout pour le mieux et L’Homme, la Bête et la Vertu (1919). Après un échec cuisant à Rome en mai 1921, Six personnages en quête d’auteur triomphe à Milan en septembre et sera présenté ensuite à New York. Henri IV est joué avec succès en 1922, Charles Dullin met en scène La Volupté de l’honneur à Paris (1922), Georges Pitoëff crée Six personnages en quête d’auteur en 1923 à la Comédie des Champs-Élysées. Son oeuvre théâtrale renouvelle fondamentalement la scène de l’entre-deux guerres, ses pièces telles Comme ci (ou comme ça), Ce soir on improvise, Six personnages en quête d’auteur évoquent le théâtre dans le théâtre. Il fait vivre à la scène des personnages déchirés par un tourment incessant, avec dans toute son oeuvre dramatique, le thème dominant de la tragique impossibilité du vivant à appréhender son véritable moi. Il commence à rassembler ses nouvelles, sous le titre Novelle per un anno (Nouvelles pour une année) en 1922.
Il adhère au parti fasciste en 1924, tout en ne s’engageant jamais activement en politique. Son activité théâtrale l’écarte peu à peu du régime fasciste dont il supporte mal la suspicion et l’autoritarisme ; il fonde et dirige le Teatro d’Arte di Roma où il engage la jeune et talentueuse Marta Abba, dont il tombe amoureux et pour laquelle il écrira plusieurs pièces. Elle devient son interprète principale et son inspiratrice.
L’expérience du Teatro d’Arte di Roma se termine en 1928, ainsi que la collaboration avec Marta Abba ; jusqu’à la fin de sa vie il entretiendra avec la jeune femme une correspondance qui sera publiée sous le titre Lettres d’amour de Pirandello à Marta Abba. En 1934, il reçoit le prix Nobel de littérature, mais sa santé décline. Il meurt à Rome en 1936 alors qu’il travaille à une adaptation cinématographique de Feu Mathias Pascal (dont Marcel Lherbier a réalisé une version en 1925) et laisse inachevé les Géants de la montagne.