Fils d’un grand avocat parisien et d’une ancienne résistante, il réussit le concours d’entrée à l’École normale supérieure en 1960 fort brillamment : il entre cacique, puis passe en 1965 l’agrégation de philosophie, militant alors à l’Union des étudiants communistes.
La même année, il part à Cuba et suit Che Guevara en Bolivie. Il théorisera sa participation à la guérilla de l’ELN dans Révolution dans la révolution (1967) où il développe la théorie du foquisme : la multiplication de foyers de guérilla.
Il est capturé le 20 avril 1967 puis, torturé par les forces gouvernementales, il aurait livré des informations clefs, dont la confirmation de la présence du Che en Bolivie. Les preuves d’un accord de Debray avec la CIA (informations contre arrêt des tortures et promesse d’une peine clémente) auraient été découvertes. Il restera incarcéré pendant quatre ans. À sa libération, il rencontre Salvador Allende et Pablo Neruda. De la rencontre avec Allende émergeront le livre "Entretiens avec Allende" sur la situation au Chili, ainsi qu’un entretien vidéo : "Ce que disait Allende" (dont un extrait est disponible sur le site de Régis Debray). Il rentre en France en 1973.
De 1981 à 1985, il est chargé de mission auprès du Président de la République pour les relations internationales.
En 2005, il crée la revue Médium, transmettre pour innover et devient président d’honneur de l’Institut européen en sciences des religions.

Régis Debray s’intéressa beaucoup au problème du religieux et de la croyance au sein du groupe social. Son postulat de départ est simple : il n’y a pas de société sans transcendance (c’est en cela qu’il ne s’est jamais démarqué de ses origines catholiques).
Selon Régis Debray, un groupe ne peut se définir que vis-à-vis d’une référence transcendante (qu’elle soit territoriale, doctrinaire ou légendaire) vers laquelle se tourne la croyance des gens. Il appelle cette nécessité de définir le groupe par une entité qui lui est extérieure l’incomplétude, et nomme cette entité le « sacré du collectif », qui est la représentation de ce que le groupe estime être le « meilleur ». C’est cette croyance qui assure la confiance réciproque entre les membres du groupe, et garantit selon R. Debray l’ordre social.
Debray affirme que ce sacré serait déterminé par la technologie de la transmission d’information, et baptise l’étude de celle-ci la médiologie. Ce néologisme désigne l’étude des supports de transmission de message, qui selon lui ont transformé les mœurs, les rapports au pouvoir, au savoir… Régis Debray s’intéresse à trois exemples en particulier :
Le premier est ce qu’il appelle le codex, c’est-à-dire le premier livre relié, la Bible chrétienne, qui facilite la communication du Dieu unique. Cette « invention » du christianisme va transformer l’ordre social.
La deuxième révolution, deuxième évolution du sacré, est l’invention de l’imprimerie. Cette diffusion des livres, du savoir, générera l’École, la République et la laïcité.
La troisième grande technologie est la révolution informatique avec le développement de la Toile. Sur cette toile géante, il n’y a plus de frontières, plus d’État. À quelle forme de « sacré » cela mène-t-il ?
La médiologie sera le deuxième temps du travail de Régis Debray. Comment une idée abstraite devient une force matérielle ? Qu’est ce que la force des idées ? Comment l’idée d’un Dieu unique, total, universel a-t-elle acquis autant de force et comment s’est-elle traduite par des rites ? Comment l’idée d’un Dieu totalement abstrait incarné dans un être a-t-elle fait exploser la société romaine ? Comment peu à peu y a-t-il eu une conversion dans cette croyance incongrue ? Debray va se pencher sur toutes ces questions en étudiant les moyens de transmission.