Родился в Санкт-Петербурге 14 марта 1852 года в семье архитектора Николая Леонтьевича Бенуа. Окончил общеобразовательную гимназию К. И. Мая. В 1871—1877 учился в Императорской Академии художеств на архитектурном отделении. Одновременно занимался акварелью под руководством Л. О. Премацци. В 1876 был удостоен большой поощрительной медали и малой золотой медали за программу «Проект университета». В 1877 году выпущен из Академии со званием классного художника-архитектора 1-й степени. В 1875—1876 выполнил проект дачи Ц. А. Кавоса в Петергофе. В 1883 по приглашению Александра III сопровождал Царскую семью в летней экскурсии по финским шхерам на яхте «Царевна». После окончания Императорской Академии художеств занялся акварельной живописью. В 1883—1885 гг. путешествует по Италии,Франции, Испании для совершенствования в технике акварели. В 1884 году за акварели «Местечко Балье», «Город Сан-Ремо» и другие был удостоен звания академика. По возвращении в Петербург назначен преподавателем акварели в Императорской Академии художеств; в 1894—1905 — член Совета, с 1894 — действительный член ИАХ. В 1890-х —1910-х много путешествовал, исполнил пейзажи побережья Финского залива, Кавказа, Поволжья, Северной Африки, Средиземноморья, Сибири, Манчжурии, Китая, Японии, Кореи. Создал обширную серию видов Петербурга и пригородов. В 1880 году стал одним из основателей Кружка русских акварелистов (с 1887 — Общество русских акварелистов), в 1887—1897 — член Правления Общества, в 1897—1918 — почетный член Общества). Провел персональные выставки в Петербурге (1903, 1909, 1915) и Киеве (1904, 1909). С 1895 г. — хранитель Русского музея императора Александра III. С 1897 г. — инспектор по художественной части Департамента торговли и мануфактуры. В 1918 году был назначен заведующим Музеем прикладного искусства Комиссариата торговли и промышленности, участвовал в создании Музея природы северного побережья Невской губы. В 1924 году эмигрировал в Париж. Умер 16 мая 1936 года в пансионате для больных в предместье Парижа. Произведения Бенуа в Государственном Русском музее, Государственной Третьяковской галерееи других.