Nació el 19 de julio de 1840 en Bucalemu, Región de O'Higgins. Sus padres fueron el ex parlamentario Manuel José De Balmaceda Ballesteros y María Encarnación Fernández Salas. Fue el primogénito de doce hijos.

Se casó con Emilia Toro Herrera, bisnieta del Conde Mateo de Toro y Zambrano, con quien tuvo ocho hijos, entre ellos el ex diputado José Enrique Balmaceda Toro.

En 1849, ingresó como interno al Colegio de los Sagrados Corazones de Santiago y posteriormente, siguiendo una vocación sacerdotal, cursó varios años de Teología en el Seminario Conciliar de Santiago.

Hacia 1864 se desempeñó como secretario particular del ex parlamenatario y Presidente de la República, Manuel Montt Torres, ante el Congreso Americano celebrado en Lima, en misión encomendada por el gobierno de José Joaquín Pérez.

Al regresar se dedicó a trabajar en las empresas agrícolas de su padre.

Como periodista, difundió su pensamiento liberal usando la Revista de Santiago como medio donde publicó sus estudios y puntos de vista relativos a los problemas políticos sobre la libertad electoral, la Iglesia y el Estado. Entre esos trabajos se destacan "La solución política en la libertad electoral" y "La Iglesia y el Estado".

En 1869, se asoció al Club de la Reforma, espacio de reunión de los grupos reformistas y liberales. En 1886, se asoció a los escritores y diputados Justo y Domingo Arteaga Alemparte para fundar y redactar en su compañía el diario "La Libertad".

Fue miembro del Partido Liberal cuyo programa apoyaba la libertad religiosa, las garantías individuales, la eliminación de la influencia del Poder Ejecutivo en las elecciones, la reforma de la Constitución de 1833 y la restricción de las atribuciones del presidente de la República. Estos puntos fueron la base de su postulación y posterior reelección como candidato a diputado.

Durante la presidencia de Aníbal Pinto Garmendia, fue nombrado ministro plenipotenciario y como tal, enviado extraordinario a Argentina, con el objeto de lograr una declaración de neutralidad en la Guerra del Pacífico (1879-1884).

Durante la presidencia del también senador y diputado, Domingo Santa María González, fue nombrado ministro de Relaciones Exteriores y Colonización, entre el 18 de septiembre de 1881 al 19 de abril de 1882. En forma paralela, fue ministro de Guerra y Marina subrogante, entre el 9 de febrero al 8 de marzo de 1882. Posteriormente, fue ministro del Interior, entre el 12 de abril de 1882 al 3 de septiembre de 1885, y simultáneamente, fue ministro de Relaciones Exteriores y Colonización subrogante entre el 6 al 24 de febrero de 1885.

El 17 de enero de 1886, en el teatro Odeón de Valparaíso, fue proclamado candidato a la presidencia con el apoyo de los partidos Nacional, Liberal y una fracción de los Radicales. El 25 de junio del mismo año se efectuaron las elecciones de electores de presidente, triunfando Balmaceda como candidato único.

Fue proclamado presidente electo por el Congreso Pleno en sesión del 30 de agosto de 1886 y asumió el mando el 18 de septiembre de 1886. Su gobierno se vio marcado desde sus inicios por una grave crisis política que se manifestaba en una encarnizada lucha con el Congreso.

Uno de los principales focos de su gobierno fue el mejoramiento de la educación y el desarrollo de la infraestructura pública, mediante la utilización de las riquezas obtenidas por el salitre. Dentro de las obras desarrolladas durante su Gobierno están la canalización del río Mapocho, la construcción de infraestructura pública como viñas férreas, puentes, caminos y hospitales. Además de la construcción de la Escuela de Artes y Oficios, la Escuela Naval de Playa Ancha y el Internado Nacional Barros Arana.

Estos gastos fueron fuertemente criticados por sectores de la sociedad que se opusieron a esos proyectos. Por otra parte, también debió enfrentar la protesta obrera en la huelga general de 1890.

En 1891, se vio ante la necesidad de aprobar el presupuesto del año en curso para el Ejército y la Armada. Ante las dificultades planteadas por los parlamentarios, decidió repetir el del año anterior, sin la autorización del Congreso, vulnerando el texto de la Constitución de 1833. El Congreso respondió con una "Acta de Deposición de Balmaceda".

El 7 de enero de 1891, el capitán de Navío Jorge Montt dio inicio al conflicto armado en su contra. El ejército quedó dividido entre una fracción que lo apoyaba y otra que estaba en su contra. Tras las batallas de Concón y Placilla, las fuerzas que lo apoyaban se debilitaron siendo derrotadas por sus opositores.

La Guerra Civil de 1891 enfrentó la autoridad del Presidente de la República, frente a las atribuciones que defendía el Congreso Nacional. Fue el mayor conflicto interno que tuvo el país en el siglo XIX, que dejó un saldo entre 5.000 y 10.000 muertos. Finalmente, en la Guerra triunfó el bando congresista, instalándose en Chile un régimen parlamentario que predominó hasta 1925.

Esta situación lo impulsó a entregar el mando del país el 29 de agosto de 1891. Luego de eso, buscó asilo en la Legación Argentina en Santiago, donde redactó su testamento político además de diversas cartas para su familia. Tras lo cual, se suicidó el 19 de septiembre de 1891, un día después de haber cumplido su mandato presidencial.