Одоевский родился в Санкт-Петербурге в семье генерал-майора Ивана Сергеевича Одоевского и княжны Прасковьи Александровны Одоевской, которая была двоюродной сестрой его отца. Он получил домашнее образование и с юных лет увлекался литературой.

В соответствии с традициями дворянских семей, 11 февраля 1815 года Одоевский был записан на гражданскую службу в качестве канцеляриста в Кабинет его величества, а с 31 декабря 1818 года стал губернским секретарём. В 1820 году он оставил гражданскую службу и 1 октября 1821 года поступил на военную службу в Конный лейб-гвардии полк, где был признан в дворянском достоинстве и 4 ноября 1821 года произведён в юнкеры. Позже он получил звания эстандарт-юнкера и корнета. В этот период он познакомился со своими двоюродными братьями Александром Грибоедовым и Владимиром Одоевским.

В начале 1825 года Одоевский вступил в Северное общество декабристов, примкнув к его радикальной части. Он участвовал в восстании на Сенатской площади 14 декабря 1825 года и затем добровольно явился к обер-полицмейстеру Петербурга А. С. Шульгину. Одоевский был заключён в Петропавловскую крепость, в Алексеевский равелин.

Его осудили по IV разряду и приговорили к 12 годам каторги, но 22 августа 1826 года срок был сокращён до 8 лет. 20 марта 1827 года его доставили в Читинский острог, где он написал ответ на послание А. С. Пушкина в Сибирь. В сентябре его перевели в Петровский завод, а в 1832 году отправили на поселение в Тельминскую казённую фабрику в Иркутской области. Оттуда 2 апреля 1833 года он написал письмо Николаю I с просьбой о прощении. С 1833 года Одоевский жил в селе Елани в Иркутской губернии, где построил себе дом.

Благодаря ходатайству отца, поддержанному князем И. Ф. Паскевичем, 23 мая 1836 года Одоевского перевели в Ишим Тобольской губернии. 21 июля 1837 года его определили рядовым в действующую армию на Кавказ, где он сблизился с М. Ю. Лермонтовым и познакомился с Н. П. Огарёвым. Одоевский был известен как умный, образованный и благородный человек, некоторые даже называли его «христоподобной» личностью.

Он умер в 1839 году от малярийной лихорадки во время строительства Форта Лазарева на восточном берегу Чёрного моря. Стихи Одоевского, написанные до 1825 года, почти не сохранились. Среди известных произведений, стихотворение «Струн вещих пламенные звуки…», поэма «Василько», стихотворения «Зосима», «Старица-пророчица», «Моя Пери», «Брак Грузии с Русским царством» и другие. Его лирика, с усилением философского начала, сближается с творчеством Лермонтова. Одоевскому принадлежит известная строчка: «Из искры возгорится пламя…».