Nació el 16 de agosto de 1830. Hijo de Diego Antonio Barros Fernández y Martina Arana Andonaegui. A los cuatro años quedó huérfano de madre y fue su padre el que asumió su orientación y estudios. También influyó en él una tía, hermana de su padre, quien se hizo cargo del hogar. Contrajo matrimonio con Rosalía Izquierdo Urmeneta.

Sus primeras letras las realizó en un colegio particular hasta 1839, fecha en que ingresó como alumno externo al Instituto Nacional donde fue compañero de Francisco Bilbao y de los hermanos Gregorio Amunátegui y Manuel Amunátegui.

Inició su carrera intelectual a los 19 años cuando tradujo la novela de Alejandro Dumas, "El caballero D´Harmental", que se publicó en El Mercurio de Valparaíso en 1849. Al año siguiente publicó Estudios Históricos dando inicio a su trabajo de investigación sosteniendo la tesis que la historia es fruto de los grandes personajes. Uno de sus grandes consejeros y orientadores en el tema fue Andrés Bello quién lo impulsó en la investigación diciéndole: “escriba joven, sin miedo que en Chile nadie lee”.

Paralelo a sus labores administrativas en la Universidad de Chile continuó escribiendo y en 1865 publicó una de sus obras de mayor divulgación, el "Compendio de Historia de América".

Tras dejar la rectoría del Instituto Nacional en 1872 se dedicó a escribir para la "Revista de Santiago", en la revista "Sud América" y en "El Ferrocarril".

El 1° de enero de 1875, motivado por la necesidad de tener un medio para publicar con mayor libertad, fundó junto a Miguel Amunátegui la "Revista Chilena".

En 1902, presidió el Congreso General de Enseñanza donde defendió lo que él llamaba "la moral independiente".

En 1857, inició el movimiento de oposición al gobierno del presidente Manuel Montt que se tradujo en la aparición de una serie de periódicos donde destacó “El País”, que declaró como propósito servir a los verdaderos intereses de la República. Desde este periódico ridiculizó al presidente y a su ministro y probable sucesor Antonio Varas de la Barra, además de denunciar la limitada orientación política del círculo presidencial. Paralelamente, encabezó un grupo de jóvenes que pasaron a engrosar el naciente Partido Liberal.

Más tarde, publicó los diarios opositores el Correo Literario, La Actualidad y la Asamblea Constituyente.

En diciembre de 1858, el Gobierno allanó la imprenta en que editaba "La Actualidad" e hizo registrar su casa por lo que se expatrió. Viajó por Argentina y Europa, donde visitó Londres, Sevilla y París.

Regresó a Chile en 1861, año en que fue electo secretario del Consejo de la Universidad de Chile.

En enero de 1863, el presidente José Joaquín Pérez lo nombró rector del Instituto Nacional. Guiado por su orientación científica implementó clases de Química, Historia Natural, Historia de América y Geografía. Además, suprimió las prácticas religiosas del alumnado y criticó duramente la enseñanza en los colegios privados.

En 1867, ocupó el cargo de decano de la Facultad de Humanidades de la Universidad de Chile, lo que le significó además supervigilar la Biblioteca Nacional.

En julio de 1872, fue presionado para que renunciara a la rectoría del Instituto Nacional debido a sus ideas liberales. Además, se enemistó con el Partido Conservador y la Iglesia por defender el Estado docente contra la libertad de enseñanza.

Durante la presidencia de Federico Errázuriz Zañartu fue encomendado a una misión diplomática en Argentina con el fin de encontrar una solución a los problemas limítrofes.

Posteriormente, el presidente Aníbal Pinto, lo confirmó en el cargo y le pidió escribir una obra sobre la Guerra del Pacífico. Fruto de este encargo fue la “Historia de la Guerra del Pacífico”.

En 1879, viajó a Europa y se radicó en París donde asistió a debates parlamentarios, a los Tribunales de Justicia, a conferencias y charlas. Allí pudo conocer la Historia de Francia de Henri Martin que fue de gran influencia para su posterior "Historia Jeneral de Chile". Regresó el mismo año 1879 al iniciarse la Guerra del Pacífico, acontecimiento que vivió desde muy cerca lo que fue útil para escribir la "Historia de la Guerra del Pacífico", que comenzó en 1880 y completó en tres meses.

En 1881, inició la publicación de la "Historia Jeneral de Chile".

En enero de 1890, fue nombrado por el presidente José Manuel Balmaceda perito en los asuntos limítrofes con Argentina. Sin embargo, fue despojado de sus funciones luego de manifestarse contrario al presidente y adherir al Congreso durante la Guerra Civil de 1891. Tras el término del conflicto y con la asunción de la Junta de Gobierno retomó su cargo desde el que defendió los derechos de Chile en cada lugar en disputa en la frontera con Argentina. También retomó las riendas del Instituto Pedagógico, creó nuevos cargos de estudios y asumió el decanato de la Facultad de Filosofía y Humanidades de la Universidad de Chile, en junio de 1892.

Durante el gobierno de Jorge Montt Álvarez fue nombrado rector de la Universidad de Chile, cargo que desempeñó entre 1893 y 1897. Período en se erigió como orientador de la política educacional chilena.

En 1902 terminó su obra “Historia General de Chile” al completar 16 tomos. Ese mismo año, tuvo una destacada participación en el Congreso General de Enseñanza realizado en Santiago, que tuvo carácter de internacional.

Murió el 4 de Noviembre de 1907 en Santiago.

En el ámbito literario hasta 1853, se enfocó en la lectura de libros de divulgación científica y la escritura de monografías históricas. De 1850 fueron sus Estudios Históricos sobre Vicente Benavides y las campañas del Sur 1818-1822 y los artículos sobre Tupac Amaru, Vicente Benavides, Lord Cochrane y el general San Martín (periódico La Tribuna), y Bascuñán y el Cautiverio Feliz (Revista de Santiago). De 1851 fue una crítica a la Historia eclesiástica, política y literaria de Chile de J. Ignacio Víctor Eyzaguirre (periódico Sud América) y de 1852, El General Freire y Noticias biográficas de don Antonio de Gorbea. Mientras que de 1853 fueron los Apuntes Biográficos de don Diego Antonio Barros, antiguo Senador y Consejero de Estado (fallecido el 12 de julio de ese mismo año); El Diario de Valparaíso y otros diecisiete trabajos, estos últimos fueron publicados en El Museo, periódico que fundó y redactó él mismo.

Por su actividad política contraria al gobierno de Manuel Montt fue perseguido y tuvo que huir a Argentina a fines de 1858. Se estableció en Mendoza, luego en Rosario, Montevideo y finalmente en Buenos Aires. En cada una de estas ciudades recopiló información y documentos. Más tarde, a mediados de 1859, se fue a Europa, donde consolidó sus ideas liberales y anticlericales. Estuvo en Londres, París y España, donde pudo estudiar el Archivo General de Indias de Sevilla. Estos estudios lo llevaron a declararse agnóstico.

En 1860, volvió a París y Bélgica y Holanda. En todos lados estudió, investigó, recopiló fuentes y se contactó con personajes que lo pudieran ayudar en sus objetivos. Regresó a América al año siguiente y en su paso por Lima compró libros y conoció y copió papeles del Archivo de Bernardo O´Higgins.

Todas estas experiencias le sirvieron para que una vez de vuelta en su país publicara algunos títulos, continuara con el periodismo político y realizara comentarios sobre historiografía y literatura algunos de los que cuales fueron publicados una revista semanal llamada Correo del Domingo. En 1862, escribió su "Biografía" y "Viaje de Hernando de Magallanes", en la ciudad alemana de Leipzig, Alemania, y también hizo publicar "Purén indómito", de Fernando Álvarez de Toledo, con una introducción suya.