Гео Милев е роден в семейство на учителя и журналист Мильо Касабов. По-късно баща му се премества в Стара Загора, където през 1907 г. основава книжарница и издателство. Същата година Гео Милев се записва в старозагорската гимназия. През това време той се занимава активно с издаване на ръкописни вестници, съставя сборници, които дори сам илюстрира. Пише хумористични, патриотични и интимни стихотворения. Превежда от руски език стихотворения на видни автори като Александър Пушкин, Михаил Лермонтов, Николай Некрасов, Алексей Колцов, Атанаси Фет и други.

След като завършва гимназия през 1911 г., Гео Милев се премества в София, където записва в Софийски университет "Св. Климент Охридски" специалността романска филология. Учи я само една година, до 1912 година, след което се премества в Лайпциг, където се установява за две години. Там слуша лекции по философия и пише дисертация върху поезията на Рихард Демел - най-видният представител на немския литературен символизъм. По време на престоя си там, през 1913 година, Гео Милев продължава своята публицистична дейност - започва да сътрудничи на вестник "Листопад". Във вестника се появяват и първите му публикации - "Литературно - художествени писма от Германия". Превежда френски и немски поети, пише и стихове.

През 1914 г. Гео Милев заминава за Лондон. Там се запознава с емигриралия белгийски поет Емил Верхарн. След като се връща обратно в Германия обаче, българинът е заподозрян, че е английски шпионин и е арестуван от полицията в Хамбург. Поради липсата на доказателства обвинението е свалено и малко по-късно той е освободен от затвора. Гео Милев отива в Лайпциг, но скоро обстоятелствата го притискат и през 1915 го. се връща в България.

През март 1916 г. Гео Милев е мобилизиран и изпратен в Школата за запасни офицери в Княжево. Оттам като старши подофицер е изпратен в 34-ти троянски полк, който е на позиция при Дойран. Назначен е за командир на разузнавателния апарат в града. На 29 април 1917 г. неговият пост е открит от англичаните и е подложен на артилерийски огън. Милев е тежко ранен в главата и загубва дясното си око.

През февруари 1918 г. Гео Милев заминава със съпругата си за Берлин, за да бъде опериран, като остава там до март 1919 г. Въпреки петнадесет тежки операции, по време на престоя си посещава библиотеки, музеи, изложби, театри. Революционния кипеж в Германия, който има възможност да наблюдава, по-късно отразява в някои откъси от "Грозни прози". В Берлин се запознава с новите явления в немската литература, свързва се с немски писатели и художници, превежда и печата в експресионистичните списания "Ди Акцион" и "Дер Щурм".

След като се завръща в София, Гео Милев издава списание "Везни" (1919-1922), което се оформя като трибуна на символизма и експресионизма в България. В започналото да излиза през януари 1924 г. списание "Пламък" Гео Милев печата статии под надслов "Грозни прози", поемата "Септември", както и началото на поемата "Ад". Заради поемата "Септември" книжка 7 - 8 на списанието е конфискувана, а Милев е даден под съд. През януари 1925 г. списанието е забранено. На 14 май 1925 г. заради поемата Гео Милев е осъден на 1 година тъмничен затвор, глоба от 20 000 лв. и лишаване от граждански и политически права за 2 години. Той решава да обжалва постановената присъда пред Апелативния съд, но на 15 май е извикан за "малка справка" от полицията и изчезва безследно.

Останките на Милев са открити през 50-те години на XX век в масов гроб край София (Илиенци) и са разпознати по изкуственото око, поставено по време на операциите в Германия. Белезите от насилие по останките и показанията на ген. Иван Вълков пред съда през 1954 г. сочат, че Гео Милев е удушен с тел.