陈寿籍贯巴西安汉（今四川南充）。自幼刻苦好学，拜同郡人谯周为师，研习《尚书》、《三传》，精通《史记》、《汉书》，陈寿聪明机敏，所写文章以富丽著称。
最初应州里的聘请，历任卫将军姜维主簿，东观、秘书郎，散骑、黄门侍郎，观阁令史等职。当时宦官黄皓专横弄权，蜀汉众臣大都极力逢迎黄皓，唯独陈寿不愿依附他，因此多次被贬谪。适逢陈寿父亲去世，他守丧期间，因为生病而让婢女伺侯自己服药，被来客看见，乡党因此对他颇为议论指责。
景耀六年（263年），蜀汉灭亡，陈寿因而多年不被荐举。张华欣赏其才华，认为他虽然有行为不检点的嫌疑，但依照情理不应被贬废。于是推举其为孝廉，授官佐著作郎，又出任阳平县令。陈寿撰写《诸葛亮集》，上报朝廷。后授职著作郎，兼任本郡（巴西郡）中正。
益州自从东汉光武帝之后，蜀郡人郑伯邑、太尉赵彦信（赵谦）以及汉中人陈申伯、祝元灵，广汉人王文表（王商）都是博学多闻，撰写有巴、蜀的《耆旧传》。陈寿认为这些书都不值得流传后世，于是合并巴郡、汉中地区，撰写成《益部耆旧传》十篇。散骑常侍文立向朝廷呈献此书，得到武帝的嘉奖。
张华准备荐举陈寿为中书郎，中书监荀勖因忌恨张华而厌恶陈寿，便示意吏部改任陈寿为长广太守（一说是荀勖开始也欣赏陈寿，后来因为不满意《魏书》的内容才外放他）。陈寿以奉养老母为由不就职。
咸宁四年（278年），镇南将军杜预离京镇守荆州之前，又将陈寿举荐给朝廷，建议授予他黄门侍郎或散骑常侍之职。陈寿因此被授职为治书侍御史。因母亲去世离职，其母临终遗言将她埋葬在洛阳，陈寿恭行母亲遗志，但又此而遭到非议贬官。当初，谯周曾对陈寿说：“你必定会凭才学扬名天下，但常会遭到诋毁伤害，这未必是不幸。要谨慎从事。”陈寿至此，再次招致贬废的羞辱，正应了谯周之言。
太康元年（280年），晋灭吴，统一天下。陈寿撰写完成《三国志》，共六十五篇。当时的人们盛赞陈寿善于叙写史事，具有良史的才干。夏侯湛当时也在撰写《魏书》，见看到陈寿的《三国志》后，便销毁自己的《魏书》。张华对陈寿倍加赞赏，对他说：“应该把《晋书》委托给你撰写。”陈寿就是如此受时人器重。
数年后，陈寿被拜为太子中庶子，未到任。
元康七年（297年），陈寿病逝，享年六十五岁。他去世后，梁州大中正、尚书郎范頵等人上书说：“从前汉武帝下诏令说：‘司马相如病危，可派人去取回他的著作。’使者得到了司马相如遗留的书籍，内中谈到帝王祭拜天地一事，武帝大为惊奇。臣等认为，已故治书侍御史陈寿所著《三国志》，书中多有劝诫之言，阐述前人的是非得失，对今世的教化大有裨益，尽管文辞不及司马相如，但质朴实在，恳请陛下采录其书。”惠帝于是诏令河南尹、洛阳令，派人去陈寿家抄写其书。
陈寿的主要著作为《三国志》，《三国志》是一部记载魏、蜀、吴三国鼎立时期的纪传体断代史。其中，《魏书》三十卷，《蜀书》十五卷，《吴书》二十卷，共六十五卷。记载了从公元220年（魏文帝黄初元年），到公元280年（晋武帝太康元年）60年的历史。
陈寿是晋臣，晋是承魏而有天下的，所以《三国志》尊魏为正统。在《魏书》中为曹操写了本纪，而《蜀书》和《吴书》则只有传，没有纪。记刘备则为《先主传》，记孙权则称《吴主传》。这是编史书为政治服务的一个例子，也是《三国志》的一个特点。陈寿虽然名义上尊魏为正统，实际上却是以魏、蜀、吴三国各自成书，如实地记录了三国鼎立的局势，表明了它们各自为政，互不统属，地位是相同的。
陈寿所著的《三国志》，与前三史一样，也是私人修史。《三国志》书成之后，就受到了当时人们的好评。陈寿叙事简略，三书很少重复，记事翔实。在材料的取舍上也十分严慎，为历代史学家所重视。史学界把《史记》、《汉书》、《后汉书》和《三国志》合称前四史，视为纪传体史学名著。
然而，《三国志》也有其不足之处，不可不注意。在叙事时，除了在某些人的纪和传中有矛盾之处外，其最大的缺点，就是对曹魏和司马氏多有回护、溢美之词，受到了历代史学家的批评。另外，全书只有纪和传，而无志和表，这是一大欠缺。
陈寿还著有《古国志》五十篇，《益都耆旧传》十篇，已佚失。还有《官司论》七篇，依据典章制度，讨论应该如何进行改革。又有《释讳》、《广国论》二文。
《全晋文》还收录有《表上诸葛氏集目录》、《驳虞溥议王昌前母服》。
