Родился неподалёку от Донецка в семье казачьего сотника и стал одной из ключевых фигур раннего российского кинематографа.
Окончил Новочеркасское казачье юнкерское училище и служил в Донском казачьем полку, расквартированном в Москве. Во время Русско‑японской войны получил ранение, был награждён медалью и столкнулся с хроническим ревматизмом.
В двадцать восемь лет вышел в отставку по состоянию здоровья и распорядился средствами на развитие кинематографа после визита в Ростов‑на‑Дону. Там он принял решение вложить всё в киноиндустрию и стал перепродавать фильмы, привозимые из Европы.
С 1907 года начал снимать фильмы самостоятельно; первая работа «Палочкин и Галочкин» осталась незавершённой.
На экранах появлялись два комика, а в некоторых кадрах головы героев обрезали рамкой.
В 1909 году на экранах появился первый фильм ателье Ханжонкова — «Драма в таборе подмосковных цыган».
Эта лента стала первой самостоятельной постановкой студии: ранее ателье снимало в основном натуру.
Кества по поэме Лермонтова «Песнь про купца Калашникова» оказалась более успешной, чем у конкурента, что позволило привлечь к проекту Василия Гончарова.
К началу 1910‑х студия Ханжонкова стала лидером отечественного кинопроизводства: на её площадке снимался каждый второй фильм.
В 1911 году вышла первая в стране полнометражная лента «Оборона Севастополя», где снимались настоящие войска и техника; император Николай II наградил Ханжонкова перстнем и орденом Святого Станислава II степени.
Соперник Дранков подал донос, но позиция Ханжонкова не пошатнулась: к тому моменту он был миллионером, владел двумя кинотеатрами и выпускал киножурналы, а также продвигал науку через собственный научный отдел.
В ателье Ханжонкова также выпускались ленты по сельскому хозяйству, географии, зоологии, ботанике и медицине.
В 1912 году появился первый в мире мультфильм в технике объемной мультипликации — «Прекрасная Люканида, или Война усачей с рогачами».
Привлекал актёров театра, например Иванa Мозжухина, который в «Пьянстве и его последствиях» исполнил роль персонажа, оказавшегося на пороге белой горячки.
К 1917 году Ханжонков передвигался на костылях и в инвалидном кресле, но отправился в Ялту и организовал «российский Голливуд» — Ялтинскую киностудию.
В 1920 году эмигрировал вместе с семьёй, официально — на лечение, а в 1922 году согласился вернуться на родину.
Рад возвращению выразили в телеграмме Луначарский, признавшего вклад в развитие советского кино.
Работал консультантом Госкино и возглавлял фабрику «Пролетарское кино».
В 1926 году был арестован за невыполнение плановых обязательств, лишили гражданских прав и отстранили от кино.
К моменту ареста он уже был прикован к инвалидному креслу и снова переехал в Ялту; в 1934 году обратился к Борису Шумякову за помощью.
Был реабилитирован и получил персональную пенсию; в последние годы жизни писал мемуары.
Во время немецкой оккупации Крыма он оставался в Ялте и умер там в сентябре 1945 года в возрасте 68 лет.
