Ông sinh năm Mậu Tý (1888) tại xã Hữu Ngoại (nay là xã Thiên Lộc), huyện Can Lộc, tỉnh Hà Tĩnh.

Xuất thân trong một gia đình nho học có truyền thống yêu nước lâu đời.[1] Thân phụ ông trước từng tham gia phong trào Cần Vương đánh Pháp[2]. Năm 1903, khi ở Huế cùng với cha, ông kết bạn với các cậu ấm Phan Kế Toại (con Tuần phủ Phan Kế Tiến), Bùi Kỷ (con Tiến sĩ Bùi Thức), Nguyễn Tất Thành (con Thừa biện Nguyễn Sinh Sắc),...[3]

Đi học, làm quan triều Nguyễn

Từ nhỏ, Võ Liêm Sơn học chữ Hán, rồi học tiếp chữ Pháp. Năm 1911, ông đỗ bằng Thành Chung ở trường Quốc học Huế. Khi ấy, ông 23 tuổi, được bổ làm Giáo học ở đạo Ninh Thuận. Năm sau (1912), ông đỗ Cử nhân Hán học khoa Nhâm Tý ở trường thi Quy Nhơn.

Sau một thời gian học hậu bổ, ông được bổ Tri huyện Duy Xuyên (Quảng Nam). Nhưng chưa đầy một năm, vì không khuất phục viên Chủ thương chánh Pháp, nên ông bị bãi chức[2], chuyển về Huế làm Thừa biện. Ở đây, ông bắt đầu đọc sách của Khang Hữu Vi, Lương Khải Siêu, và tích cực ủng hộ phong trào Duy Tân năm 1908[2].

Năm 1915, ông được bổ làm Giáo thụ rồi Kiểm học ở Phú Yên.

Năm 1919, chế độ học quan của triều Nguyễn bị bỏ, ông ra Huế dạy Hán văn và Việt văn ở trường Quốc học.

Cuối năm 1925, chí sĩ Phan Bội Châu bị quân Pháp bắt đưa về giam lỏng ở Huế. Để có chỗ ở cho nhà yêu nước ấy, Võ Liêm Sơn đã dùng số tiền 2.000 đồng do đồng bào quyên góp mua một mảnh vườn trên dốc Bến Ngự để dựng ngôi nhà tranh cho cụ Phan, và một sở đất thứ 2 nằm gần đàn Nam Giao (sau này là nghĩa trang Phan Bội Châu)[4].

Hoạt động cách mạng

Năm 1926, ông gia nhập Tân Việt Cách mệnh Đảng (gọi tắt là Đảng Tân Việt), và nhà ông trở thành nơi đi lại và hội họp của các đảng viên.

Năm 1928, Đào Duy Anh sáng lập Quan Hải tùng thư ở Huế, để xuất bản những tập sách phổ biến tư tưởng khoa học và duy vật lịch sử. Theo tài liệu thì việc sáng lập này có sự cộng tác của Võ Liêm Sơn[2].

Năm 1930, ông và người con trai đầu là Võ Bỉnh Sơn bị quân Pháp bắt và đưa về giam ở nhà lao Hà Tĩnh gần một năm. Sau khi ra tù, ông về quê vợ ở Bình Thuận sống ẩn dật, và chuyên tâm sáng tác văn học[2]. Khâm sứ Trung Kỳ Y-vơ Sa-ten (Yvé Châtel) đã nhiều lần mua chuộc nhưng ông không chịu ra làm quan[1].

Từ năm 1944, ông bí mật tham gia Mặt trận Việt Minh.

Năm 1934, ông sáng lập Tân Văn nghệ Tùng thư nhưng mới xuất bản được 2 cuốn sách thì bị khám nhà và bị bắt giam[1].

Sau Cách mạng tháng Tám (1945), ông về quê nhà, tham gia công tác kháng chiến tại Hà Tĩnh.

Năm 1947, Võ Liêm Sơn được chính phủ Việt Nam Dân chủ Cộng hòa bổ nhiệm làm Trưởng ban tuyên truyền kháng chiến, Ủy viên Ủy ban kháng chiến hành chính đồng thời được cử làm Chủ tịch Mặt trận Liên việt Hà Tĩnh.

Năm 1948, ông được bổ nhiệm làm Uỷ viên Ủy ban kháng chiến hành chính Liên khu IV; và trong Đại hội mặt trận Liên việt liên khu, ông được bầu làm Chủ tịch. Cũng trong năm ấy, tại Hội nghị văn hóa toàn quốc tổ chức ở Việt Bắc, ông được tiếp kiến Chủ tịch Hồ Chí Minh, và được vị Chủ tịch này tặng thơ.

Võ Liêm Sơn mất ngày 22 tháng 12 năm 1949 (Kỷ Sửu), thọ 61 tuổi.