Sohn eines deutsch-baltischen Arztes. Studium der Geschichte in Dorpat und Göttingen, Schüler von G. Waitz. Nach Habilitation 1877 Vorlesungen im wesentlichen über kunsthistorische Themen, ab 1883 Professor für Kunstgeschichte in Königsberg, 1892 bis 1918 in Straßburg, dann Übersiedlung nach Tübingen. Dehio hat sich mit den Einflüssen der Zeitgeschichte auf die Kunst und deren Wechselwirkung befaßt. Er gilt als der grundlegende Erforscher der Architektur des Mittelalters und ihrer geistesgeschichtlichen Zusammenhänge.

Hauptwerke: "Die kirchliche Baukunst des Abendlandes" (1884-1901, 7 Bde.), "Untersuchung über das gleichseitige Dreieck als Norm gotischer Bauproportionen" (1894), "Kunstgeschichte in Bildern" (1898-1901), "Proportionsgesetz der antiken Baukunst" (1895), "Denkmale deutscher Bildhauerkunst" (1905-1910), "Handbuch der deutschen Kunstdenkmäler" (1905-1912, 5 Bde.), "Geschichte der deutschen Kunst" (1919-1925, 3 Doppelbände), in der erstmalig alle Gebiete zusammengefaßt und kritisch geschlossen dargestellt werden.