施肇基9歲入江寧同文館，次年考入上海聖約翰書院，專習中英文。1893年，施肇基以翻譯身分隨駐美公使楊儒赴美，併入康乃爾大學（Cornell University）學習，期間曾奉調俄國一年，並代理伍廷芳出任駐美公使。1905年，施肇基以哲學博士畢業，同年返國加入張之洞幕僚，擔任湖廣總督署洋務文案兼鄂省留美學生監督，後升任郵傳部右參議兼京漢鐵路局總辦、京奉鐵路局會辦、任吉林西北路兵備道兼濱江關監督、吉林交涉使、外務部右丞等，曾於1909年處理了伊藤博文在哈爾濱遇刺一案。
辛亥革命爆發時，施肇基預定派任駐美、西、祕魯公使，但未成行。民國成立後，施肇基在唐紹儀內閣中擔任交通、財政總長，不久因病辭職，改任總統府大禮官。1914年，施肇基出任駐英公使，並於1919年成為出席巴黎和會代表。1920年，施肇基調任駐美公使，並擔任華盛頓會議中國代表，期間短暫於1923年回國擔任外交總長，直到1929年調駐英公使。1931年，施肇基回國出任外交部長、國民政府委員，1933年再次派駐美國。
抗戰爆發前，施肇基辭職返國，隱居上海；後擔任國民參政員，主持慈善活動。1941年，施肇基赴美，負責接洽中美民間合作，1945年時曾出席舊金山會議。其後，施肇基逐漸淡出政界並定居美國，1958年1月4日，施肇基逝世於華盛頓。著有《施肇基早年回憶錄》。