Caius Flavius Valerius Aurelius Constantinus, hijo de Constancio Cloro y de su concubina Elena, nació en Naissus (la actual Nis, en Yugoslavia), un 27 de febrero de no se sabe qué año, aunque los historiadores no dudan en situarlo entre el 270 y el 288, en pleno período de «desgobierno militar» del Imperio romano, un desgobierno al que la reforma de Diocleciano del 286 intentó poner fin mediante el nombramiento de dos emperadores o augustus y de sus respectivos sucesores (o césares). Constancio Cloro fue nombrado césar de Maximiano y se separó de Elena para contraer matrimonio con Teodora, hija adoptiva de su emperador.
Constantino creció y fue educado con esmero en la corte de Diocleciano en Nicomedia (la actual Izmir, en Turquía). Estuvo en contacto con los numerosos cristianos de la corte imperial y de las ciudades del este y fue testigo de excepción de la persecución que Diocleciano desencadenó en el 303 contra los cristianos.
En el 305 la abdicación de Diocleciano llevó consigo el ascenso de los césares a emperadores y la elección de nuevos césares, lo que obstaculizaba las expectativas de sucesión dinástica de los hijos de quienes habían ascendido a emperadores. La situación provocó una compleja serie de guerras civiles, uno de cuyos episodios fue la alianza de Constantino, que había sido aclamado emperador por sus tropas, con Maximiano, a cuya hija Fausta tomó como segunda esposa y al cual obligó a suicidarse en 310. Al año siguiente Constantino inició el avance sobre Roma y alcanzó la victoria en la decisiva batalla del puente Milvio, el 28 de octubre de 312, que le permitió adoptar el título de máximo augusto aunque su dominio sólo abarcara el oeste del imperio.
Según la tradición recogida por Eusebio de Nicomedia, el día anterior a la batalla del puente Milvio, Constantino vio en el cielo una señal que le indicaba in hoc signo vincis (con este signo vencerás), acompañado de una cruz. Constantino, que probablemente profesara una religión solar monoteísta, había mantenido contactos con el cristianismo y era consciente de la fuerza que ese credo tenía en el imperio. Hizo pública su conversión y en el 313 promulgó el Edicto de Milán, que establecía la libertad para el cristianismo y que restituía los bienes eclesiásticos. De hecho convirtió el cristianismo en la religión del Estado y participó decisivamente en los concilios de Ancira (314), contra el donatismo, y de Nicea (325) que condenó el arrianismo. Sin embargo, el hecho de que Arrio sostuviera que la divinidad de Dios Padre era superior a la de Dios Hijo -principio que permitía establecer diferencias de grados entre los hombres y justificaba que el emperador tuviera un rango más elevado que los demás humanos y fuera el intercesor de éstos ante Dios-, propició que Constantino terminara por dar su apoyo a esta doctrina, que le iba a resultar de gran utilidad política en la construcción de un sistema de monarquía de derecho divino al estilo de la que se fraguó en Oriente y en la lucha contra los demás augustos, a los que se impuso en el 324, al convertirse en emperador único.
En este mismo año 324 fundó sobre la antigua Bizancio la ciudad de Constantinopla, que pasó a ocupar un lugar de privilegio en el imperio. Al año siguiente, el emperador concedió el título de augusta a Elena, su madre y en el 326 se desarrolló un drama familiar que al parecer estuvo en el origen del viaje de Elena a Tierra Santa, donde se le atribuye el descubrimiento del Santo Sepulcro y la invención de la Vera Cruz: Fausta, la esposa de Constantino, consiguió que su marido mandara ejecutar a Crispo, primogénito del emperador habido de su anterior matrimonio con Minervina; poco después, Fausta fue acusada de adulterio y Constantino la hizo ejecutar.
Pese a su adopción pública del cristianismo y a su intervención en los debates teológicos, aunque probablemente sólo fuera por interés político, Constantino nunca había recibido el bautismo. En su lecho de muerte cambió sus ropajes imperiales por la vestidura blanca del neófito y fue bautizado. Murió poco después el 22 de mayo de 337, y dejó su imperio repartido entre sus tres hijos, Constantino II el Joven, Constante I y Constancio II, y sus dos sobrinos, Dalmacio y Anibaliano, pero los conflictos entre ellos obligaron a que, después de su muerte, Constantino siguiera reinando nominalmente durante varios meses. Fue enterrado en su iglesia de los Apóstoles en Constantinopla.