Выходец из знаменитого рода заводчиков и землевладельцев, дворян (с 1726).
Воспитание и образование получил в Париже, в лицее Наполеона.
В период Отечественной войны 1812 г. вступил на военную службу юнкером в егерский полк Московского ополчения.
За отличие в сражении при Бородино произведен в прапорщики и переведен в Перновский гренадерский полк.
В 1814 г. назначен в Свиту Его Императорского Величества.
Покровительствовал развитию научных знаний в России.
С 1830 г. ежегодно в день рождения императора Александра I вносил в Академию наук по 20 000 рублей «на награды за лучшие по разным частям сочинения, дабы содействовать к преуспеянию наук, словесности и промышленности в своем отечестве» и по 5 000 — «на издание увенчанных Академией рукописных творений».
«Демидовские награды» присуждались Петербургской Академией наук до 1865 г. (по завещанию, пожертвования продолжались еще в течение 25 лет после смерти Демидова), считались самой почётной неправительственной наградой России.
«Демидовскую награду» получили: врач Н. И. Пирогов, историки Б. Н. Чичерин и Н. И. Костомаров, химик Д. И. Менделеев, металлург П. П. Аносов, филолог А. Х. Востоков, физиолог И. М. Сеченов, математик П. Л. Чебышев, электротехник Б. С. Якоби и др.
Вместе с братом Анатолием открыл в Петербурге детскую больницу, на содержание которой внес особый капитал и, кроме того, сделал крупные пожертвования в Комитет инвалидов, в Приют для бедных, в Общество садоводства и др.
С 1831 г. по 1834 г. — курский губернатор.
В 1831 г. поставил мраморный памятник поэту И. Ф. Богдановичу.
В бытность губернатором, Демидов на личные средства во время эпидемии холеры построил четыре больницы; восстановил и благоустроил Английский (позднее Лазаретный) сад ; ул. Московская (первая в Курске) обустроена твердым покрытием - брусчаткой.
Скончался в Майнце (Гемания).
В 1993 г. в Екатеринбурге по инициативе Уральского отделения Российской академии наук была возобновлена традиция «Демидовских наград» .
Ист: Исторический и географический путеводитель по Курской губернии от Орловской границы до Харьковской на 241 1/2 верст. Составлен В.Н. Левашевым в 1837 г.