Quê làng An Truyền, huyện Phú Vang, tỉnh Thừa Thiên. Ông nổi tiếng tài hoa, năm Giáp Tý 1864, ông được Tùng Thiện Vương Miên Thẩm gả con gái là Công nữ Thể Cúc. Tuy là con rể Tùng Thiện Vương nhưng vì sinh trưởng trong gia đình nông dân, nên ông vẫn giữ được mối liên hệ với quần chúng lao động.

Không phục vua Tự Đức cầu hòa, ông đứng về phía những người chủ chiến và tích cực kháng cự giặc Pháp, đã cùng hai em là Đoàn Hữu Ái và Đoàn Tư Trực, các đồng chí là Trương Trọng Hòa, Phạm Lương, Tôn Thất Cúc, Tôn Thất Giác, Bùi Văn Liệu mưu cuộc đảo chính để đưa hoàng tôn Ưng Đạo (con An Phong công Hồng Bảo - anh vua Tự Đức) lên ngôi. Lại ngầm liên kết với vị hòa thượng trú trì chùa Pháp Vân là Nguyễn Văn Quý, bàn việc chống triều đình. Nhóm ông vờ lấy danh nghĩa một thị xã gọi là Đông Sơn thi tửu hội để che mắt nhà cầm quyền đương thời.

Năm Bính Dần 1866, ngày 8 tháng 9 âm lịch cuộc khởi nghĩa được phát động, cờ đề “Hoàng tôn nghĩa cử”. Ông huy động lực lượng là nhân công đang uất hận vì bị bắt lao dịch khắc nghiệt để xây dựng Khiêm Lăng (lăng Tự Đức). Họ cầm chày vôi kéo về Kinh Thành dưới sự chỉ huy của ông và các đồng chí (nên sử gọi là cuộc khởi nghĩa Chày Vôi).

Nhưng cuộc đảo chính thất bại, đầu tiên bị Chưởng vệ Hồ Oai kịp thời ngăn chặn, rồi đến Chánh vệ úy Cẩm Y là Nguyễn Thịnh và Chỉ huy sứ Phạm Viết Trang đánh bại.

Cuộc đảo chính bất thành của ông dẫn đến cả nhà Ưng Đạo đều bị hại. Nhạc phụ ông là Tùng Thiện Vương bị liên lụy trách phạt, riêng ông và hai người em đều bị giết. Dòng họ ông tan tác, đổi họ, sống tản mác ở nhiều nơi. Ông mất lúc mới 22 tuổi.

Tác phẩm của Đoàn Hữu Trưng còn lại ngày nay là Trung nghĩa ca, sáng tác trong thời gian bị giam, theo thể lục bát, dài 498 câu, kể lại tường tận cuộc khởi nghĩa này.