
В 1990 году с отличием окончил физико-химический факультет Московского института стали и сплавов по специальности «физика металлов». В 1992 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по теме «Перенос тепла взаимодействующими электронами в сверхпроводниках и нормальных металлах».
В 1992-2000 годах — научный сотрудник, старший научный сотрудник лаборатории синтеза; доцент кафедры теоретической физики физико-химический факультета МИСиСа. В 1997 году защитил докторскую диссертацию «Термоэлектрический эффект и перенос тепла в электронных системах со взаимодействием».
В 1997-2000 годах — заместитель проректора МИСиСа по научной работе. В 2000-2004 годах — проректор по международному сотрудничеству, профессор кафедры теоретической физики МИСиСа. В 2003 году окончил Московскую государственную юридическую академию по специальности «юриспруденция». Автор более 60 научных работ, в том числе 49 — в зарубежной печати.
В 2004-2005 годах — директор департамента государственной научно-технической и инновационной политики министерства образования и науки Российской Федерации. В 2005-2007 годах — статс-секретарь — заместитель министра образования и науки Российской Федерации. С 11 апреля 2007 года по 21 мая 2012 года — ректор Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».
21 мая 2012 года назначен министром образования и науки Российской Федерации. В декабре 2012 года Ливанов выступил с критикой закона, запрещающего гражданам США усыновление российских детей-сирот, внесенного депутатом Государственной Думы от «Единой России» Екатериной Лаховой.
19 августа 2016 года указом президента России освобожден от должности министра образования и науки Российской Федерации и назначен на должность специального представителя по торгово-экономическим связям с Украиной.
5 октября 2018 года был освобожден от должности Специального представителя по торгово-экономическим связям с Украиной.