Als die Familie 1830 von Breslau nach Berlin übersiedelte, arbeitete er als Lithograph in der Steindruckwerkstatt seines Vaters. Nur kurze Zeit, 1833, besuchte er die Berliner Akademie, danach bildete er sich autodidaktisch weiter. 1834–1836 entstanden die Lithographien zu „Denkwürdigkeiten aus der Brandenburgisch-Preußischen Geschichte“, nach 1839 die fast 400 Zeichnungen zu F. Kuglers „Geschichte Friedrichs des Großen“, die ihn als realistischen Zeichner bekannt machten. Mitte der vierziger Jahre entstanden die ersten Bilder von Innenräumen, Häusern und Gärten. In den folgenden Jahrzehnten malte er vor allem Bilder aus dem Leben Friedrichs II., dem Hofleben und der Geschichte. 1853 wurde er Mitglied der Berliner Akademie, 1856 Professor. Reisen führten ihn nach Holland, Frankreich und Italien. 1885 wurde Menzel Ehrendoktor der Berliner Universität, 1895 Ehrenbürger Berlins und 1898 in den Adelsstand erhoben. Zu seinen bedeutendsten Werken zählen u. a. „Tafelrunde Friedrichs des Großen von Sanssouci“ (1850) und „Das Eisenwalzwerk“ (1875). Menzel erhielt ein Ehrengrab auf dem Berliner Dreifaltigkeitsfriedhof in der Kreuzberger Bergmannstraße.