À l'age de 16 ans il entre en classe préparatoire scientifique. Il arrête ensuite la même année ses études pour gérer une entreprise de services par minitel.
Cofondateur d'Iliad en 1991, dont il est actionnaire majoritaire (66,5 % du capital en 2008) et par ailleurs auteur d'un livre de vulgarisation sur l'informatique, il débuta son parcours professionnel en 1984 en créant des services de minitel rose. Il a co-fondé en février 1994 le premier fournisseur d'accès à Internet grand-public en France, Worldnet, société revendue en décembre 2000 à Kaptech (groupe Neuf Cegetel) pour 40 millions d'euros. Il est à l'origine des produits lancés par le groupe Iliad, et notamment le service 3617 Annu lancé en 1996, societe.com, ou le développement en 1999 de la première offre d'accès à Internet (Free) ayant pour modèle économique les reversements de France Télécom, jusqu'à la création de la Freebox. Il est, avec Rani Assaf, l'inventeur des offres triple play et du concept de box. Il est à l'origine de la création de la Fondation Free qu'il finance avec ses fonds personnels. L'objectif de la Fondation est de fournir aux foyers français : une ligne téléphonique sans abonnement, les appels d’urgence et les appels vers les services sociaux, un accès à Internet bas débit (courriel + accès Internet), le service d’antenne avec un accès aux chaînes gratuites de la TNT en qualité numérique.
Xavier Niel est investisseur dans de nombreuses startup liées à l'information en ligne (Mediapart, Bakchich), la technologie (Ateme) ou à la musique (Deezer).
Il est le propriétaire des droits des chansons de Claude François et de la chanson My Way.
En juin 2010, il s'associe avec Pierre Bergé et Matthieu Pigasse pour racheter le quotidien Le Monde.
Il est l'auteur avec Dominique Roux d'un Que sais-je ? intitulé Les 100 mots de l'Internet.