Horvát parasztcsalád szülötte volt, gyerekkorát a dalmáciai Otavice faluban pásztorként töltötte. Az ügyesen fúró-faragó fiú 13 éves korától egy spliti kőfaragónál dolgozott, majd egy bányatulajdonos támogatásával a bécsi Művészeti Akadémián tanult. Első kiállítását 1905-ben rendezték, a következő évben a szerb állam I. Péter király portréjának elkészítésével bízta meg. Ekkor kezdte tervezni a Rigómezei Panteont, az 1389-es csata meg nem valósult emlékművét. 1908-ban Párizsban Rodin fogadta tanítványává, 1911-14 között Rómában élt, ahol nagy hatást gyakorolt rá Michelangelo művészete, ekkor készült szobrai expresszívek, monumentálisak, s hazafias érzelem hatja át őket. Megmintázta a rigómezei hősöket, a Kraljevic Marko (Marko királyfi) című lendületes lovasszobor-torzóját Donatellóhoz és Verocchióhoz mérték.
Az I. világháború után hazatért az újonnan alakult délszláv államba, a háború tragédiáját bronz Pietája jeleníti meg, Jézust önmagáról, Máriát anyjáról mintázta. Mestrovic az új Jugoszláviában csalódott, a szerb-horvát ellentét elkeserítette, de a zágrábi Képzőművészeti Akadémia tanáraként, majd 1941-ig rektoraként művészek sorát nevelte fel. Számos monumentális emlékművet mintázott, Splitben áll Marko Marulic reneszánsz költőt és Grgur Ninski IX. századi püspököt ábrázoló szobra, Belgrádban a Hálaszobor Franciaországnak. 1928-ban amerikai rendelésre készült két nagysikerű lovas szobra, a Dárdavető és a Nyilazó indián, de Hitler berlini meghívását visszautasította.
Mestrovicot a II. világháború alatt, 1941-ben a németek elfogták, de pápai közbenjárásra szabadon engedték. Rómába utazott, s elkészítette XII. Pius portréját, majd Svájcban folytatta Jézus élete című sorozatát. Ekkor készült drámai Jóbja, az Istennel perelő alak deformált teste, az arc nélküli fej az embertelenség ellen kiált. 1946-tól az Egyesült Államokban tanított, 1954-ben megkapta az állampolgárságot is. Tito Jugoszláviája hazahívta, de ő elutasította, hogy kommunista államban éljen, de 1952-ben népére hagyta horvátországi ingatlanait mintegy 400 szoborral és számos rajzzal.
Mestrovic nagy feszültségteremtő erejű szobrászata a XIX. század mestereit követi, művüket nem új formai megoldásokkal, hanem főleg tartalmi többlettel bővíti. Alkotásainak zöme Splitben, a maga tervezte épületben lévő Mestrovic-múzeumban és annak zágrábi párjában található. Utolsó éveit - családi tragédiák miatt is - bánat és rezignáció hatotta át. 1962. január 16-án halt meg az Indiana állambeli South Bendben, kívánságának megfelelően Otavicében, egy mauzóleumban helyezték örök nyugalomra.
