万历二十二年八月四日(1594年9月17日)，茅元仪出生于一个书香门第。祖父茅坤是著名的文学家，父亲国缙(一作晋)官至工部郎中。在家庭的熏陶下，茅元仪自幼勤奋好学，博览群书，尤其喜读兵、农之作。成年后又熟谙军事，胸怀韬略，对长城沿线的“九边”之关隘、险塞，都能口陈手画，了如指掌。
正当茅元仪立志报国之时，东北建州女真族崛起，其首领努尔哈赤于万历四十四年(1616)，在赫图阿拉(今辽宁新宾)建立后金政权，自称金国汗，建元“天命”。两年后以“七大恨”为借口，兴师攻明，辽东战火纷飞，战乱屡起。明廷阉党弄权，国运衰落，军队战斗力低下，战败的消息纷纷传来，举国为之震惊。茅元仪于焦急忧愤之时，发奋著书立说，刻苦钻研历代兵法理论，将多年搜集的战具、器械资料，治国平天下的方略，辑成《武备志》，于天启元年(1621)刻印。自此以后，这位年轻学子声名大振，以知兵之名被任为赞画，随大学士孙承宗督师辽东，与同僚鹿善继、袁崇焕、孙元化等人一起，在山海关内外考察地形，研究敌请，协助孙承宗作战，抵御后金的进攻，并到江南筹集战舰，加强辽东水师，提高明军的战斗力。在孙承宗指挥下，明军在辽东收复九城四十五堡，茅元仪也因功荐为翰林院待诏。
由于阉党魏忠贤专权，孙承宗被排挤去职，茅元仪也随之被削籍，于天启六年(1626)告病南归。次年十月，朱由检即帝位，随后杀魏忠贤，阉党势力大落，茅元仪即赶赴京城，向新帝进呈《武备志》，因被权臣王在晋等中伤，以傲上之罪，被放逐到定兴(今属河北)江村。崇祯二年(1629)冬，后金骑兵直扑北京，孙承宗再度受命督师。茅元仪等数十骑，护卫孙承宗，从东便门突围至通州(今北京通县)，击退了后金军的进攻，解了北京之危。茅元仪因功升副总兵，督理觉华岛(今辽宁兴城菊花岛)水师。不久又被权臣梁廷栋所忌而解职，又受辽东兵哗之累，遣戍漳浦(今属福建)。之后，辽东军请复又紧急，他请求效死勤王，遭到权臣阻挠，于崇祯十二年(1640)悲忿纵酒而亡。
元仪文武双全，曾纳秦淮名机杨宛、王微为妾，时人称：“年少西吴出，名成北阙闻。下帷称学者，上马即将军。”
家富藏书，并与曹学佺、董其昌、汤显祖等学者和藏书家往来颇密。编撰有《九学十部目》，分为经学、史学、说学、小学、兵学、类学、数学、外学。目录学家姚名达对此目评价较高，他认为向来目录学研究之弊，唯知类书，不研类学。类之有无，依书之多少而定。茅元仪能够以学术为分类标准，开目录学研究之新。刻书亦多，天启元年(1621)自编自刻有《武备志》240卷，被后人称之为“军事学的百科全书”。刻宋、元、明人著述10多种。
