牟鴻勛自幼聰穎，文采出眾，加之家境富裕，18歲那年被父親牟奇祿送到武漢赴考。這是清末最后一屆科舉考試，牟鴻勛中了清末首案秀才，隨后被保送到武昌兩湖師范學堂深造，光緒三十四年（1908）肄業(yè)。在學堂時，受教于名儒章太炎門下，深受章先生器重。與同學孫武、張難先等來往密切，受到民主主義思想的影響，深感時局維艱，推翻封建統(tǒng)治勢在必行。

1910年，由孫武等人介紹，在武昌參加共進會，成為共進會骨干。1911年2月，以兩湖師范學堂總代表的身份，出席了熊秉坤、劉復基等人主持召開的共進會與文學骨干分子在武昌召開的聯(lián)合會。同年八月，出席共進會與文學社在武昌胭脂路召開會議，牟鴻勛被公推為司勛和政治籌備委員，確定了軍政府組成人員名單。

1911年10月9日，孫武在漢口俄租界寶善里起義總機關(guān)試驗炸藥，不慎起火，庫房被炸，清軍嚴加搜查。當晚，牟鴻勛到武昌小朝街85號軍事指揮部，作進攻總督府的部署，突然軍警破門而入，牟鴻勛與劉復基、彭楚藩等人當場逮捕。10月10日凌晨，軍警對其嚴刑拷打逼供。雖說他是兩湖師范學校的學生，作為謀反大逆者，照理說沒可能幸免。但當時兩湖師范學校的總務(wù)長陳樹屏，是作為知府陪審。陳樹屏和牟鴻勛是師生關(guān)系，他就一邊故作鎮(zhèn)定的口氣和主審官鐵忠說：“天下哪里有秀才造反的事，一定弄錯了……”，一邊問道牟鴻勛，平時讀些什么書。原本想就此庇護過去，但牟鴻勛鏗鏘有力的回答：“《警世鐘》、《猛回頭》、《革命黨》”。

另一主審官旗人雙壽說道：“讀的都是亂黨宣傳的書，不是亂黨分子是什么？”問道：“那你是不是革命黨？”

牟鴻勛坦然稱是，問他：“為何要造反？”他慷慨陳詞：“大者為國計民生，小者報揚州三日之仇，雪嘉定十日之恨。”要他交出同黨，他大義凜然地說：“革命者頭可斷，志不可奪，豈可低頭折節(jié)而生！”軍警見他毫無屈服之意，嚴刑將他打得昏死過去。

總督瑞澄認為他在學界頗有名氣，可留下再逼口供，加上陳樹屏的從中周旋，才幸免于一死。當天拂曉，彭、劉、揚三人英勇就義。歷史上原本的四烈士就這樣在危急關(guān)頭便成了三烈士（今日武昌尚有彭劉揚路，如若當時犧牲，此路則又多牟字）。

10日彭、劉、揚三人被處決后，牟鴻勛被暫鎖于文昌門監(jiān)獄。當天夜里，革命軍起義占領(lǐng)武昌。一日之后，首義成功，武昌光復。12日，起義軍攻克總督府，總督瑞澄逃之夭夭，革命宣告成功，起義軍領(lǐng)導人蔡濟民到文昌門監(jiān)獄迎接牟鴻勛出獄，留任咨議局。

武昌起義之初，牟鴻勛與高振霄、蔡濟民、謝石欽、蘇成章、梅寶璣、陳宏誥、錢守范8人被公推為總稽查，時稱武昌革命“八大金剛”。

民國初期，牟鴻勛的同鄉(xiāng)范騰霄在北京的一個單位任書記官，雙壽此時也在這個單位工作。與范騰霄閑談前朝舊事，他尤其對牟鴻勛在堂上應訊時的風采贊嘆不已，呼為“硬漢子”。牟鴻勛得知后非常高興，備盛宴邀約雙壽。席間，昔日對手，今日同胞，把酒言歡。一時，“硬漢子”的美名在京師廣為流傳。

民國元年（1912）二月十日，軍政府成立實業(yè)部，李四光被遴為正部長，牟鴻勛為副部長。

二十七日，發(fā)生倒孫武事變，孫被告革除軍務(wù)部長職務(wù)，牟鴻勛等人也因之去職。時牟已入民社，民社并入共和黨，牟為共和黨黨員，當選為眾議員。常住北京。

民國二年，袁世凱政府授予牟鴻勛以勛五位。

南京國民政府成立后，袁世凱的篡權(quán)野心公開暴露，于1916年稱帝。孫中山發(fā)動反袁的護國運動后，牟鴻勛潛赴黃岡與蔡濟民秘密組織靖國軍，發(fā)動黃岡起義。

1917年北洋軍閥解散國會，孫中山發(fā)動“護法運動”。牟鴻勛回到利川，又與蔡濟民組織鄂西靖國軍，蔡濟民為總司令，牟鴻勛任副總司令，董必武任秘書長，陳耀智任參謀長；川軍熊春武以湖北無軍隊為借口，委任方化南為援鄂軍總司令，與靖國軍同駐在利川城中。方化南策動叛亂，突襲靖國軍，蔡濟民殉難，牟鴻勛只身突圍，喬扮為傳教士潛赴武漢。

1922年，第一次直奉戰(zhàn)爭后，黎元洪復任大總統(tǒng)，牟鴻勛出任總統(tǒng)府顧問，先后獲文虎、嘉禾勛章。黎被逐，牟亦卸職。

1924年11月段祺瑞擔任北京臨時政府執(zhí)政，當時南北和解之勢遍及全國，牟鴻勛奉孫中山之命，作為全權(quán)代表，北上與段祺瑞談判。在談判中，他堅持原則，曉以大義，使段祺瑞不得不電請孫中山到北平共商國是。這時孫中山恰好在上海，回電后立即動身到達天津。段祺瑞派十人組成的歡迎團，陪牟鴻勛同到天津接駕，卻不知此時孫先生肝病劇發(fā)，已送進協(xié)和醫(yī)院搶救。孫夫人宋慶齡代見歡迎團和牟鴻勛。她對牟鴻勛說：“把你辛苦夠了，只可惜他的病不能很快康復，不能把你的功勞早日表現(xiàn)于國家和人民��！”牟鴻勛說：“這完全是總理的聲望和威信所致，我沒有一點力量可言，我只希望總理早日恢復好身體，總理病康復了自然就好辦了”。孫夫人又說：“總理的病有我照顧，請你回去代我感謝段先生對我們的隆重接待，并向其問候”。牟鴻勛回去復命。

北伐后牟鴻勛病居武昌，蔣介石曾數(shù)次電邀其去南京，皆拒辭不往。1928年5月，牟鴻勛病逝武昌，時年40歲。