Figlio di Luigi XIII e di Anna d'Austria, fratello minore di Luigi XIV, nacque a Saint-Germain-en-Laye il 21 settembre 1640.
Duca d'Angiò dalla nascita e duca d'Orleans dal 1660, fu noto come Filippo d'Orleans o con il soprannome di Monsieuir. Fin dalla prima giovinezza dimostrò apertamente la sua omosessualità ma per ottemperare ai suoi doveri di "principe del sangue" si sposò due volte ed ebbe diversi figli.
Il fratello Luigi XIV, il re Sole, lo tenne lontano dalla politica perché in imbarazzo per la sua non celata scelta sessuale ma forse anche perché geloso del prestigio di cui Filippo godeva non solo per la sua eleganza ma anche, con grande sorpresa di molti, per il coraggio dimostrato nella guerra franco-olandese.
Nel 1661 sposò Enrichetta Anna Stuart, sorella di Carlo II d'Inghilterra che presto diventò amante del re. Nel marzo 1662 Filippo ed Enrichetta ebbero una figlia, Maria Luisa. Nel 1664 ebbero un maschio, Filippo Carlo, che morì all'età di due anni. Nel 1669 nacque un'altra bambina che fu battezzata Anna Maria.
Nel 1670 Enrichetta morì improvvisamente all'età di ventisei anni e si pensò al veleno ma l'autopsia dimostrò che si era trattato di peritonite. Filippo si risposò il 16 novembre 1671 con Elisabetta Carlotta del Palatinato, figlia di Carlo I del Palatinato. Ne nacquero Alessandro Luigi, morto a tre anni, Filippo II d'Orleans e Elisabetta Carlotta.
Filippo d'Orleans morì a Saint-Cloud il 9 giugno 1701 per un colpo apoplettico.