Hartwig Derenbourg est issu d’une famille de lettrés originaire de Saxe. Son père, Joseph Derenbourg, était un érudit hébraïsant et arabisant de grande envergure, formé à la double source des études rabbinique et de l’université, et dont l’œuvre est considérable ; il fut nommé professeur d'hébreu rabbinique à l'EPHE en 1877 et élu membre de l’Académie des Inscriptions et Belles-Lettres en 1900.
Il a étudié aux lycées Charlemagne puis Bonaparte et s'est ensuite consacré à l’apprentissage de l’hébreu et de l’arabe à Paris, notamment avec son père ; puis il part compléter sa formation en études sémitiques à Göttingen et à Leipzig, et soutient son doctorat en 1866.
En 1884, il est nommé directeur d’études à l’EPHE pour y enseigner la philologie arabe, et sera chargé en 1886 de la chaire « Islamisme et religions de l’Arabie » à la section des Sciences Religieuses. Le jeune Louis Massignon faisait partie de ses ses étudiants en 1905. H. Derenbourg l’encouragea à étudier l’islam ; Massignon a rendu hommage à son « maître regretté » dans l’introduction de son magnum opus sur Hallâj.
Après avoir travaillé à la Bibliothèque impériale, puis comme responsable de la filiale parisienne de la librairie francfortoise de son beau-père Hermann Joseph Baer en 1871, il a enseigné les langues sémitiques au Séminaire israélite de France en 1875. La même année, il a été nommé assistant en grammaire arabe à l’École des langues orientales, dont il occupe la chaire d’arabe littéraire comme professeur en 1879.
Chargé par Jules Ferry, ministre de l’Éducation nationale, d’une mission de catalogage des manuscrits arabes de la bibliothèque de l’Escurial en 1880, il devient assistant à la commission sur les inscriptions sémitiques à l’Académie des Inscriptions et Belles-Lettres, à la demande d’Ernest Renan en 1880 : il y travaille les documents épigraphiques himyarites et sabéens. Il a collaboré à plusieurs revues scientifiques, dont la Revue d’études juives, le Journal Asiatique, le Journal des savants.
Par ailleurs, Hartwig Derenbourg prit une part active à la vie culturelle de la communauté juive. Membre du comité central de l’Alliance Israélite Universelle et du conseil de la Société des Études Juives, il a été un des fondateurs et principaux responsables de la Grande Encyclopédie (1885-1902).
A la façon des anciens orientalistes, H. Derenbourg s’est occupé à la fois de plusieurs disciplines : catalogage de manuscrits arabes, grammaire de l’arabe ancien, poésie classique, histoire arabe médiévale ; et parallèlement aussi du domaine hébraïque et sud-arabique.
- Catalogue des manuscrits arabes de la Bibliothèque impériale (4 volumes), 1866-1870.
- Le Dîwân de Nâbigha Dhobyânî, texte arabe publié pour la 1e fois, suivi d’une traduction française et précédé d’une introduction historique, 1869.
- Le Livre de Sîbawayhi, traité de grammaire arabe (3 volumes), 1881-1889.
- Les manuscrits arabes de l’Escurial, 1884-1903.
- Ousâma ibn Mounkidh. Un émir syrien au premier siècle des croisades (2 volumes), 1886-1893.
- Souvenirs historiques et récits de chasse par un émir syrien du 12e siècle : autobiographie d’Ousâma ibn Mounkidh intitulée l’Instruction des exemples. Traduction française d’après le texte arabe, 1895.
- Opuscules d’un arabisant, 1898-1905, 1905.
École pratique des hautes études, Section des sciences religieuses. Rapport sommaire sur les conférences de l'exercice 1907-1908 et le programme des conférences pour l'exercice 1908-1909. 1907. p. 33-35.