1924年6月20日，卞孝萱生于揚州沒落的書香門第。出生不到兩個月，父親去世，寡母與卞孝萱相依為命。不識字的母親每天先向鄰人學會幾個字，然后回家教卞孝萱。日后有幾十位前輩為此事作畫賦詩填詞。如柳亞子贈詩云：“教兒先就學，即學即傳人，此是彌天愿，寧關一室春。”陳寅恪詩《寄卞孝萱》其一為：“卞君娛母以文字，千里乞言走書至。我詩雖陋不敢辭，嘉君養親養其志。”
日軍侵華，揚州淪陷，物價飛漲。卞孝萱到溱潼鎮就讀于江蘇省立第一臨時高級中學，18歲畢業后便只身前往上海謀生，白天在銀行工作，晚間進夜校補習，走上自學之路，遇到疑難問題，便向學者求教。1948年肄業于上海立信會計專科學校。曾先后就職于上海遠東商業銀行、上海及廈門中國實業銀行。
1949年，卞孝萱調到北京工作。同年9月參加了中國民主建國會。1952年至1956年，任北京市中國民主建國會秘書。他利用業余時間，刻苦自學，從收集、整理辛亥革命時期重要人物碑傳入手，研究清以后政治、經濟、軍事、文化各方面人物的墓碑、墓志銘、家傳、行狀等，發表了一批學術文章。1956年受推薦到中國科學院近代史研究所工作，在范文瀾指導下，協助修訂《中國通史簡編》。當時卞孝萱最常去的兩個地方，一個是可以淘到舊書的琉璃廠，一個就是北海附近的北京圖書館。正是在圖書館看書時，卞孝萱認識了章士釗的秘書王益知，后來成了章士釗家的常客，共同研究柳宗元的文章。章士釗出版《柳文指要》時，需要卞孝萱當助手，便寫信給周恩來，請將卞孝萱從干校調回北京。卞孝萱協助章士釗校勘《柳文指要》全稿，在章家工作了一段時間。《柳文指要》出版后，章士釗在贈卞孝萱的著作上題詞：“孝萱老棣指疵。此書出版，荷君襄校之力，甚為感謝。”
“文革”后期，卞孝萱回到家鄉執教，從1976年至1981年，任揚州師范學院副教授。1981年至1984年，任北京市中國民主建國會部負責人。1984年調入南京大學中文系古典文獻研究所，1986年任南京大學中文系教授，博士生導師，他與程千帆、周勛初等組成實力雄厚的學術隊伍，培養了一批博士、碩士研究生，所開設的中國文化史、年代學研究、唐代小說與政治等課程，深受學生歡迎。1979年至1992年，任中國民主建國會第三屆至第五屆中央委員會委員。1994年10月離休。
離休以后，卞孝萱先生仍擔任《中國思想家評傳叢書》副主編，并任中國唐代文學學會韓愈研究會會長、江蘇省六朝史研究會名譽會長、清代揚州畫派研究會名譽會長，中國歷史文獻研究會常務理事，中國唐史學會、中國魏晉南北朝史學會、中國唐代文學學會柳宗元研究會、安徽省桐城派研究會、湖北省吳楚文化研究會等學術團體顧問。
卞孝萱先生自學文史書畫成家，涉獵領域廣泛，出版各類著作約四十種，發表論文近三百篇，在國內外文史學界享有盛譽。其學術生涯始自中國近代史研究，所收集、整理的《辛亥人物碑傳集》、《民國人物碑傳集》兩書，正是其早年研究中國近代史的總結。卞先生以唐代文史為主攻方向，突破了治文者不治史、治史者不治文的單一范圍，開拓出點面結合、文史結合的廣闊領域，先后撰寫了《劉禹錫年譜》、《元稹年譜》、《唐代文史論叢》、《劉禹錫叢考》等，主編了《中華大典·文學典·隋唐五代文學分典》、《唐代文學百科辭典》等。在文史結合方面，卞先生尤為膾炙人口者是對唐傳奇的研究，其《唐傳奇新探》、《唐人小說與政治》等書，備受學界稱道。卞先生晚年銳意于新領域的探索，《鄭板橋叢考》、《現代國學大師學記》、《家譜中的名人身影——家譜叢考》等，都是卞先生耄耋之年的力作。
2009年9月5日12時18分，卞孝萱先生因病醫治無效，在南京鼓樓醫院逝世，享年86歲。
卞孝萱先生在長期的執教與講學生涯中，以其“專通堅虛”的學風、誨人不倦的師德、提攜后進的懿行、平易近人的態度，贏得了學界與社會的尊敬與愛戴。