Получил домашнее образование, после чего поступил в Петербургский университет, ездил за границу для прослушивания лекций.

В 1830 году поступил на службу в дипломатический корпус, служил в российском посольстве в Константинополе. В 1835 году он, уступая своему влечению к изучению географии и естествознанию вообще, оставил службу и всецело посвятил себя научным занятиям и путешествиям по Европе с образовательными целями.

С 1839 года начал изучать природные богатства и геологию Апеннинского полуострова, составил первую географическую карту его южных районов.

В 1842 году участвовал в экспедиции по Алтаю, целью которой было изучение физико-географических условий, географии и геологии этого района.

Самым главным достижением его считается открытие одного из крупнейших в мире каменноугольных бассейнов — Кузнецкого. При его исследовании была составлена первая геологическая карта бассейна и определены его размеры.

Получив после алтайского путешествия место атташе российского посольства в Константинополе, воспользовался 2-летним пребыванием там для изучения турецкого языка, а затем предпринял в течение 1847—63 гг. ряд путешествий по Малой Азии, во время которых им произведены разносторонние научные наблюдения и собраны богатые коллекции: геологические, ботанические, зоологические, палеонтологические и археологические. Результаты путешествия опубликованы были в громадном 8-томном труде «Asie Mineur», выходившем с 1853 по 1869 гг.

С 1863 по 1864 годы руководил восемью научными экспедициями по различным регионам Армении, Курдистана, Восточной Фракии и Малой Азии.

Путешествовал и по США.

Действительный член Русского географического общества с 19 сентября (1 октября) 1845 года, почётный член с 1890 года.

Женившись в 1869 году на внучке лорда Дальгаузи, вице-короля Индии, Чихачёв поселился за границей, живя большею частью во Флоренции вплоть до своей смерти.