Er besuchte in Eutin das Gymnasium und studierte an den Universitäten in Kiel, Leipzig und Berlin Philosophie. Neben anderen gehörte Schleiermacher(1768–1834) zu seinen Lehrern. 1826 promovierte er in Berlin und war von 1826 bis 1833 Erzieher des Sohnes des Generalpostmeisters von Nagler in Frankfurt am Main. 1833 wurde er vom Preußischen Kultusminister Stein zum Altenstein (1770–1840) zum außerordentlichen Professor der philosophischen Fakultät der Berliner Universität ernannt und zur Mitarbeit im Kultusministerium herangezogen. Ab 1837 war er ordentlicher Professor für praktische Philosophie und Pädagogik. Seinen Ruf entwickelte Trendelenburg durch Forschungen zu Plato und Aristoteles. Er konzipierte eine "organische Weltanschauung" und war ein Gegner von Hegel (1770–1831), Kant (1724–1804) und Herbart (1776–1841). An der Berliner Universität war er dreimal Rektor, fünfmal Dekan der Philosophischen Fakultät. Ab 1846 war er Mitglied der Berliner Akademie der Wissenschaften, und ab 1847 hatte er das Sekretariat der philosophisch-historischen Klasse der Akademie der Wissenschaften inne. Von 1849 bis 1851 war Trendelenburg Mitglied des Preußischen Abgeordnetenhauses. Er war Ehrendoktor der Rechte und der Theologie und Mitglied zahlreicher Körperschaften. Zu seinen Werken gehören "Elementa logicis Aristotelicae" (1836), "Historische Beiträge zur Philosophie", die zwischen 1846 und 1867 in drei Bänden erschienen waren. Ferner publizierte er 1855 "Notwendigkeit und Freiheit in der griechischen Philosophie" und fünf Jahre später "Naturrecht auf dem Grunde der Ethik". Am Tag seines Todes wurde er noch in den Orden Pour le mérite für Wissenschaften und Künste aufgenommen. Sein Grab befindet sich auf dem Friedhof Nikolassee (evangelisch), Kirchweg 8–12.