Podczas edukacji w gimnazjum swymi szkicami owadów zwrócił uwagę profesora Dymitra Bezprecznego, ucznia rosyjskiego mistrza klasycyzmu Bruiłowa, który doradzał młodemu Siemiradzkiemu studia artystyczne. Nie zyskał jednak dla tych planów akceptacji rodziców chłopca, toteż Siemiradzki ukończył wydział matematyczno-przyrodniczy uniwersytetu w Charkowie, obroniwszy pracę o "Instynkcie owadów" i już jako wolny człowiek mógł dopiero zadecydować o swej przyszłości. Zrazu udał się do Moskwy, gdzie studiował licznie zgromadzone prace dawnych artystów. Naturalną koleją rzeczy musiał trafić na Petersburską Akademię Sztuk Pięknych, jednak ze względu na wiek, nie mógł stać się jej oficjalnym studentem, toteż uczęszczał na wykłady jako wolny słuchacz. Jego talent został jednak dostrzeżony w porę i decyzją rady uczelni zezwolono mu, drogą wyjątku, na studiowanie w sposób regularny. Studia ukończył w 1870 roku, nagrodzony złotym medalem, po czym udał się na stypendium zagraniczne do Monachium i do Rzymu. Zdaje się, iż na styl artysty przemożny wpływ miał wszechobecny na jego uczelni historyzm, któremu do końca życia pozostanie wiernym.
W 1871 roku rodzice artysty przeprowadzili się do Warszawy, co dla Siemiradzkiego wiązało się z możliwością obejrzenia po raz pierwszy Krakowa oraz poznaniem swej krewnej, właściwie ciotecznej siostry, Marii Prószyńskiej, w której się zakochał. Poślubienie jej jednak wymagało dyspensy papieskiej, którą artysta uzyskał w 1873 roku. Zamieszkał z małżonką w Rzymie.
Zaraz po ślubie wystawił "Jawnogrzesznicę", którą na Wystawie Powszechnej w Wiedniu nabył Aleksander III. Ten obraz przyniósł Siemiradzkiemu jeszcze tytuł akademika petersburskiej akademii, europejską sławę i rozgłos. Z pieniędzy zebranych za bilety na wystawę obrazu w Warszawie artysta ufundował stypendium dla polskich artystów.
Największym sukcesem malarskim Siemiradzkiego pozostaną jednak na wieki "Pochodnie Nerona" (znane także jako "Świeczniki chrześcijaństwa"). Namalował je zainspirowany tekstem roczników Korneliusza Tacyta, w których natrafił na wzmiankę, iż oskarżywszy chrześcijan o podpalenie Rzymu Neron kazał ustawić w swych cesarskich ogrodach pale, do których przywiązywano chrześcijan, a następnie podpalano. Wystawienie obrazu na Wystawie Powszechnej w Wiedniu w 1876 roku było wielkim wydarzeniem. Wielu, niekoniecznie polskich, historyków sztuki uważa "Pochodnie.." za najsłynniejsze dzieło historyzmu. Na fali tego sukcesu Siemiradzki został przyjęty do licznych akademii - Albertina w Turynie, rzymskiej, paryskiej, we Francji otrzymał także Legię Honorową. Jego portret umieszczono w Galerii Ufizzi we Florencji w panteonie arcymistrzów. Europejskie tournee "Pochodni Nerona" przyniosło artyście spore dochody. Petersburska akademia nagrodziła go tym razem profesurą, w liście gratulacyjnym pisząc o sławie jaką przynosi rosyjskiej sztuce. Jakby na przekór temu w 1879 roku podczas pokazu obrazu w Krakowie artysta ogłosił, iż przekazuje go w darze narodowi. Patriotyczne, jak i kulturalne znaczenie tego czynu jest nie do przecenienia. Sam malarz mógł z wystawiania go czerpać korzyści jeszcze przez długie lata. Dar ten zapoczątkował Muzeum Narodowe w Krakowie, które ulokowano w dopiero co odrestaurowanym, według projektów Matejki i Prylińskiego, gmachu Sukiennic. Do dziś obraz nosi numer ewidencyjny 1.
Sukces dwóch pierwszych obrazów pozwolił Siemiradzkiemu zająć stabilną pozycję zawodową do końca życia. Wybudował dla swej rodziny wspaniała willę w Rzymie, mógł bez obawy patrzeć w przyszłość i nie martwić się o zapewnienie bytu czwórce dzieci i żonie. Otrzymywał liczne zamówienia, był bywalcem salonów i dworów monarszych, gdzie nigdy nie zapominał o misji podnoszenia prestiżu Polski.
Przeważają w jego twórczości obrazy o tematyce historycznej, szczególnie starożytnej. Wśród nich "Za przykładem Bogów", "Apoteoza upadku Cesarstwa Rzymskiego", "Dirce chrześcijańska" oraz religijnej m.in. "Chrystus uciszający burzę" dla zboru ewangelicko-augsburskiego Świętego Marcina w Krakowie, "Zmartwychwstanie" dla kościoła Wszystkich Świątych w Warszawie. Namalował także szereg portretów i autoportretów (m.in. rzeczony w galerii Ufizzi, jeden w krakowskim Muzeum Narodowym) oraz kurtynę dla Teatru im. J.Słowackiego w Krakowie, centralna jej scena przedstawia "Natchnienie kojarzące Piękno z Prawdą", był to jego kolejny dar dla narodu, artysta nie przyjął zań zapłaty, a jedynie zwrot kosztów. Samo nawet rozproszenie dzieł artysty świadczy o jego niegdysiejszej popularności.
Każde lato spędzał w swoim dworku w Strzałkowe pod Częstochową. Gdzie też zmarł w 1902 roku na raka języka, mając zaledwie 59 lat i nie kończąc ostatniego obrazu - "Chrystus i Dzieci".
Śmierć Siemiradzkiego miała także wymiar symboliczny, bowiem historyzm i akademizm, których był przedstawicielem, stopniowo był wypierany przez secesję. Wkrótce miano o nim zupełnie zapomnieć lub wspominać wyłącznie w ramach krytyki. Zdaje się jednak, że ten trend powoli odchodzi w niepamięć, malarstwo czasów Siemiradzkiego cieszy się bowiem coraz większą popularnością, co służy rewizji poglądów na jego temat.