Phan Đăng Lưu sinh ngày 5 tháng 5 năm 1902, tại xã Tràng Thành (nay là Hoa Thành), huyện Yên Thành, tỉnh Nghệ An. Thuở nhỏ, ông học chữ Hán, sau học chữ Quốc ngữ và chữ Pháp. Khi sắp học hết bậc cao đẳng tiểu học tại Huế, ông thi vào Trường Canh nông thực hành ở Tuyên Quang.Tốt nghiệp ra trường, ông bị điều động làm việc ở nhiều địa phương trong nước, cả ở Tây Nguyên và cuối cùng bị thải hồi vì “vô kỉ luật và hoạt động chống đối”. Tại Nghệ An, Phan Đăng Lưu được gặp những người bạn có cùng chí hướng, đã tham gia Hội Phục Việt, sau đổi thành Hưng Nam, rồi Tân Việt Cách mạng Đảng.
Ngày 14-7-1928, tại Đại hội thành lập Tân Việt Cách mạng Đảng, ông được bầu làm Uỷ viên thường vụ tổng bộ phụ trách tuyên huấn. Cuối năm 1928, ông được phân công sang Quảng Châu (Trung Quốc) gặp Tổng bộ hội Việt Nam Cách mạng Thanh niên để bàn kế hoạch thống nhất hoạt động. Ngày 11-5-1929, ông trở về nước báo cáo và đề đạt ý kiến của mình với Tổng bộ Đảng Tân Việt về việc tổ chức một Đảng cộng sản. Tháng 12-1929, ông trở sang Quảng Châu bàn việc hợp nhất với Hội Việt Nam cách mạng Thanh niên. Tháng 5-1930, ông lại trở về nước rồi 4 tháng sau lại sang Trung Quốc, nhưng đã bị bắt tại Hải Phòng trước khi xuống tàu.
Ngày 21-11-1930, Phan Đăng Lưu bị toà án Nam triều ở Vinh đưa ra xử cùng với 60 đảng viên Đảng Tân Việt và bị kết án 3 năm tù khổ sai đày đi Buôn Me Thuật. Ở tù, ông vẫn tích cực hoạt động, vận động anh em học tiếng Êđê để thực hiện công tác binh vận, viết báo gửi ra ngoài tố cáo chế độ tàn bạo của thực dân Pháp. Vì vậy đã bị tăng án lên 5 tù khổ sai, cấm cố tại xà lim, bị liệt vào “loại nguy hiểm”.
Giữa năm 1936, ông được ra tù nhưng lại bị quản thúc ở Huế. Ông lại tiếp tục hoạt động cách mạng và đã có những đóng góp xuất sắc vào các cuộc vận động hợp pháp và nửa hợp pháp ở Trung Kì như phong trào Đông Dương Đại hội (1936) “đón” Gôđa, Hội nghị báo giới Trung Kì. Phan Đăng Lưu trực tiếp chỉ đạo các báo Sông Hương tục bản, Dân, đồng thời viết nhiều sách lí luận chính trị, lí luận văn học.
Tháng 11-1939, ông được bầu bổ sung vào Ban chấp hành Trung ương Đảng cộng sản Đông Dương, được phân công chỉ đạo phong trào Nam Kì.
Tháng 7-1940, xứ uỷ Nam Kì hợp đề ra chủ trương khởi nghĩa. Lấy tư cách đại diện trung ương đến dự, ông khuyên Xứ uỷ hãy chờ xin chỉ thị của Trung ương. Sau đó ông ra dự hội nghị Trung ương lần thứ 7 và được chỉ thị hoãn khởi nghĩa Nam Kì.
Ngày 9-11-1940, bế mạc hội nghị Trung ương, Phan Đăng Lưu trên đường về Nam đã bị mật thám bắt vào đêm 22-11-1940 nên chưa kịp truyền đạt chỉ thị của Trung ương về việc hoãn khởi nghĩa thì cuộc khởi nghĩa Nam Kì đã nổ ra ngày 23-11-1940.
Trong phiên toà xử án tại Sài Gòn, ngày 3-3-1941, Phan Đăng Lưu bị thực dân Pháp kết án tử hình. Ngày 26-8-1941, ông bị xử bắn tại Bà Điểm ở Hóc Môn cùng với các đồng chí Nguyễn Văn Cừ, Nguyễn Thị Minh Khai, Hà Huy Tập, Võ Văn Tần.
Hiện tên của Phan Đăng Lưu được đặt cho nhiều địa danh trên cả nước : Hà Nội, Hải Dương, Hải Phòng, Yên Bái, Ninh Bình, Nghệ An, Thừa Thiên – Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Gia Lai, Đắk Lắk, Khánh Hòa, Lâm Đồng, thành phố Hồ Chí Minh, Bà Rịa – Vũng Tàu, Cần Thơ, Kiên Giang, Phú Yên.