林旭父母早亡，依靠叔父养育成伦。他自小颖悟、聪慧好学、博学强记，号称“神童”，曾在福建省乡试第一名解元中举。后来跟随岳父沈瑜庆到武昌游学。在那里结识了维新变法的陈宝箴、陈三立父子，深受他们思想的影响。
1895年，林旭以公车(举人)入都，当时正值甲午战争，清廷战败，民族危机日重，日本强迫清廷签订丧权辱国的“马关条约”。康有为发动各省应试举人1300余人“公车上书”，反对签订“马关条约”，提出“拒和、迁都、变法”的主张。
1897年，林旭进入张元济等在北京创办的“通艺学堂”学习，增长了西学才干。
1898年1月31日，林旭发起并动员寓京的福建籍维新人士，成立闽学会，与粤、蜀、浙、陕等省学会互通声息，传播西学。因仰慕康有为，林旭拜康有为为师，专治“义理经世之学”，曾为康有为的《春秋董氏学》作跋，推扬今文经说。不久，康有为在京组织保国会，林旭为该会“始倡董事，提倡最力”。同年6月，荣禄至天津，衣招林旭入幕府。林旭于是向康有为询问可否，康有为告诉他：“就之何害，若能责以大义，怵以时变，从容开导其M谬，暗中消遏其音谋，亦大善事也。”于是，林旭接受聘任，被荣禄召入幕府。
不久，光绪帝下“明定国是诏”，宣布变法维新，并在朝廷上命四品以上各官荐举人才。翰林学士王锡藩以“才识明敏，能详究古今，以求致用，于西国政治之学，讨论最经，尤熟于交涉、商务，青年卓荦，其才具实属超群”，将他举荐给光绪帝。9月5日，林旭与谭嗣同、杨锐、刘光第4人被授予四品卿衔，在军机章京上行走，参与新政事宜。林旭任职军机章京时，年仅24岁，在9月5日到14日10天里，上书言事最多，不少变法上谕出自他的手笔。据时人披露，林旭当值期间，“衣尽斥耄老诸大臣”，“凡建一策，僚辈不能决者，旭大呼奋笔拟稿以进”，可见其积极推进新法的态度。
一次，林旭为迅速草拟一份谕旨，竟让领班章京继昌代写。结果继昌闹到军机大臣处。最后，荣禄出面对继昌说：“老哥是本处老手，公事熟练，书法又好。林旭新来，所以仰仗老哥。此件是紧急谕旨，马虎不得，还是请老哥偏劳，替他誊写一次吧。”继昌不敢违命，只好替林旭誊写好谕旨。下班后，继昌对人讲：“今日里让后生小子欺负，不能干了，不能干了!”
林旭雷厉风行的作风甚至让荣禄担忧，怕他给自己招来麻烦。荣禄曾写信给林旭，劝其在新政事务上“虚怀下问”，多与抠庭老臣商议，不应该“遇事纷更”。后来竟然发展到同为“戊戌六君子”的杨锐也批评林旭“年少轻狂”，“日夜谋变更一切甚亟”。
慈禧太后发动政变前后，林旭直接参与了康有为、梁启超最后救援光绪帝的活动;光绪帝曾让林旭带给康有为密诏，令他速出京。谭嗣同曾向袁世凯示意救驾，不过林旭则不以为然，还借用东汉末年何进、袁绍诏董卓进京救驾一事进行过劝阻。
林旭被捕后“美秀如处子，在狱中时时做微笑”。9月28日，林旭与谭嗣同、康广仁、杨深秀、杨锐、刘光第6人在北京宣武门外的菜市口同遭杀害，世称“戊戌六君子”，6人中以林旭最为年轻。
