Родился в дворянской семье; племянник археолога Андрея Лихачёва. Окончил с золотой медалью Казанскую гимназию, затем историко-филологический факультет Казанского университета. По окончании учёбы в 1884 году, оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию по кафедре русской истории. Исследовал родословную дворянского рода Адашевых, сведённого на нет опричным террором.
С 1892 года преподавал в Петербургском археологическом институте, где основал кафедру дипломатики. С 1894 года — член Археографической комиссии. В 1902—1914 годах — помощник директора Императорской публичной библиотеки. В библиотеке углубленно занимался библиографией, изучением литературы по альдам, эльзевирам, инкунабулам, историей письменности, прессы, переплётов, летучих изданий, автографов. Неоднократно бывал в заграничных поездках с целью изучения постановки библиотечного дела в Европе. Разрабатывал вопросы комплектования, способствовал пополнению фондов библиотеки отсутствующими изданиями, участвовал в работах по обоснованию расширения штатов библиотеки и совершенствования их структуры, выступал за поднятие научного престижа и статуса библиотекарей.
С 1907 года — действительный статский советник.
В 1914—1917 годах — член совета министра народного просвещения.
Стоял у истоков черносотенного движения, 16 января 1901 г. участвовал в учредительном собрании старейшего монархического объединения России — «Русского собрания», вместе с Алексеем Сувориным, Константином Гротом, Никодимом Кондаковым и др.
Собрал уникальные коллекции русских, восточных и западноевропейских рукописей, монет (15 тыс. ед.), византийских и русских печатей VI—XIV вв. (ок. 6 тыс. ед.), икон (ок. 1,5 тыс. досок; коллекция икон в 1913 куплена императором Николаем II и поступила в Русский музей), хранившиеся в специально построенном собственном доме, где он жил в 1902—1936 годах (Петрозаводская улица 7, ныне здание Санкт-Петербургского института истории РАН; мемориальная доска).
Стремясь спасти своё собрание, передал его в 1918 Петроградскому археологическому институту, где был создан Палеографичический кабинет, преобразованный в 1925 в Музей палеографии АН СССР (в 1925—1930 гг. Лихачёв — его директор), с 1930 — Музей книги, документа, письма АН СССР.
В 1930 г. Лихачёв был арестован по «Академическому делу», в 1931—1933 гг. находился в ссылке в Астрахани. Его коллекции были конфискованы и переданы в Государственный Эрмитаж, Русский музей, Библиотеку Академии Наук и другие хранилища.
Умер в 1936 году. Похоронен на Смоленском православном кладбище.
К 150-летию учёного Государственный Эрмитаж организовал выставку «Звучат лишь письмена…», где глазам публики предстали письменные памятники из собрания академика Лихачёва.