Nacido en una familia de artistas —su padre, Juan Antonio Benlliure Tomás, fue marinero, pintor y decorador y es hermano de los pintores Blas, José y Juan Antonio— se inició de manera autodidacta en la escultura. En 1881 se trasladó a Roma, donde residió durante dos décadas. Desde allí envió a la Exposición Nacional de Bellas Artes de Madrid de 1884 la escultura Accidenti, con la que obtuvo la segunda medalla y su primer reconocimiento público. 

En 1896 se estableció en Madrid, donde se construyó una casa-estudio en la calle de Abascal. La obra de Mariano Benlliure es muy extensa y variada y abarca todos los géneros y técnicas de la escultura.  

A lo largo de su vida desempeñó cargos públicos relacionados con el mundo de la cultura y las bellas artes, como el de director de la Academia de España en Roma (1901-1903), director general de Bellas Artes (1917-1919) y director del Museo de Arte Moderno de Madrid (1917-1937). Recibió importantes condecoraciones entre las que se cuenta la Medalla de Honor en la Exposición Universal París de 1900 y la primera Medalla de Oro del CBA, en 1924, por su escultura La niña, que representa a su sobrina Matilde Benlliure y que es propiedad del CBA.