士诒于清光绪二十年（1894年）中进士，授翰林院编修。清光绪二十三年（1897年）任国史馆协修。清光绪二十九年（1903年）11月，由津海道唐绍仪荐介，直隶总督北洋大臣袁世凯聘其任北洋编书局总办，主持北洋兵书编纂工作。清光绪三十年（1904年）随唐绍仪赴印度，为议定中、英、藏条约参赞。次年冬回国，任督办铁路总文案。在印度期间，派员调查印度鸦片种植、采制等情况，写成详细报告，并拟订禁烟方案。
清光绪三十三年（1907年）4月任京汉、沪宁等五路提调处提调。12月任交通银行帮理，旋改任邮传部铁路总局局长。宣统二年（1910年），勘视黄河桥工，查勘广九铁路。南归故乡独资创办岗头职业学校一所。民国元年（1912年）初，参与力逼清帝退位，协助袁世凯取得政权。同年3月袁世凯任临时大总统后，任士诒为总统府秘书长，5月兼交通银行总理，9月袁世凯特授孙中山以筹划全国铁路全权，梁氏支持孙中山的铁路建设计划。
民国2年（1913年）9月组织公民党，胁迫国会选举袁世凯为正式总统。民国4年（1915年）6月，袁授意制造“交通大惨案”，梁士诒及其粤系集团大力支持帝制活动。8月以后，积极策动为袁世凯实行帝制。次年6月袁氏病死后，士诒被列为帝制祸首，被黎元洪下令通缉而避走香港。民国6年（1917年）7月于香港分别致电唐绍仪、叶恭绰、陆荣廷等劝请张勋复辟。10月应邀访问日本。提出中日实业合作，中国提供天然资源和劳力，日本提供资本及技术的具体办法。民国7年（1918年）2月获特赦，6月任交通银行董事长，8月任安福国会参议院议长。是年第一次世界大战结束，梁与人集资120万元创办戊通公司，组织船队航行于松花江和黑龙江及办理渔业，撰《中国铁业计划书》以开发矿山，振兴实业。民国8年～9年（1919年～1920年），极力反对国际共同管理中国铁路。民国9年（1920年）2月创办山西同宝煤矿公司，3月再任国内公债局总理。民国10年（1921年）2月发起禁吸纸烟会，并作详细调查及说明，12月24日被总统徐世昌特任为国务总理。
民国11年（1922年）初，直奉战争发生。直系失败，士诒于5月避走日本，后回香港定居。民国16年（1927年）张作霖任“安国军”总司令，聘梁为“政治讨论会”会长，极力反对国民革命军北伐。民国17年（1928年），张作霖被炸，北洋政府从此结束，士诒去港定居。民国21年（1932年）初，应国民政府之请参与国难会议，由港至沪后，以会议延期而回港。于沪期间，支援“一?二八”淞沪抗战，并以私人名义致电英相麦唐纳，请其联合各国制止日本行动。次年3月，应段祺瑞之请北上商议国家大计。4月初病逝于上海。