Гео Милев е роден на 15 януари 1895 г. в Радне махле (дн. гр.Раднево), 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.
Гео Милев учи в старозагорската гимназия (1907–1911). По онова време, дванадесетгодишен, съставя ръкописни вестници и сборници, които сам илюстрира, пише хумористични, патриотични и интимни стихотворения, превежда от руски език стихове на Александър Пушкин, Михаил Лермонтов, Николай Некрасов, Алексей Колцов, Афанасий Фет и други.
Следва романска филология в Софийския университет “Св. Климент Охридски” (1911–1912), след което продължава образованието си в Лайпциг (1912–1914). Там слуша лекции по философия и пише дисертация върху поезията на Рихард Демел, която не успява да защити.
През декември 1913 г. в списание “Листопад” се появяват първите му публикации – “Литературно-художествени писма от Германия”. През юли 1914 г., след началото на Първата световна война, заминава за Лондон, където се запознава с емигриралия белгийски поет Емил Верхарен. Върнал се отново в Германия, за да продължи образованието си, Гео Милев e заподозрян, че е английски шпионин и е арестуван в Хамбург от германската полиция. Поради липса на доказателства е освободен. Пристига в Лайпциг, но събитията го принуждават скоро да се прибере в България (1915).
Отново в България, Гео Милев печата в ограничен тираж лиричните хвърчащи листове за Стефан Маларме, Рихард Демел, Пол Верлен, Емил Верхарн и Фридрих Ницше, които съдържат преведени от него стихове, като всеки лист е посветен на някого от младите поети-символисти – Николай Лилиев, Димчо Дебелянов, Теодор Траянов, Людмил Стоянов и Николай Райнов. Гео Милев поема грижите около книжарницата на баща си, който е мобилизиран. През зимата на 1915–1916 г. заедно с Никола Икономов организира в Стара Загора театрална трупа, която изнася няколко представления.
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 делото пред Апелационния съд, но на 15 май е извикан за “малка справка” от полицията и изчезва безследно.