A moszkvai egyetem hallgatójaként ezüstérmet nyert az Egyenletek gyökeinek kiszámítása című dolgozatával. Mielőtt befejezte volna egyetemi tanulmányait 1841-ben megvédte A valószínűségszámítás elemi analízisének kísérlete című magiszteri disszertációját. A következő évben Szentpétervárra költözött és az ottani egyetemen kezdett dolgozni. 1849-ben itt védte meg A kongruenciák elmélete című doktori disszertációját. 1850-ben az egyetem professzora lett. Tanítványaiból alakult meg az orosz matematikai iskola (Ljapunov, Markov, Vinogradov). 1859-ben a Tudományos Akadémia rendes taggá választotta. Részt vett L. Euler műveinek összegyűjtésében és sajtó alá rendezésében. Több mint 80 műből álló tudományos hagyatéka nagy befolyással volt a matematika fejlődésére, különösen a szentpétervári matematikai iskola kialakulására. Elsősorban a prímszámok elméletével kapcsolatos munkásságáról ismert, de jelentősek a számelméleti, valószínűségszámítási, valamint függvénytani (függvényapproximációkra vonatkozó) eredményei is. A számelméletben a Csebisev-tétel, a valószínűségszámításban az igen fontos Csebisev egyenlőtlenség őrzi a nevét.