Из дворян Нижегородской губернии. Детство провёл на Урале, где работал врачом его отец. С 1840, когда отец был утверждён профессором минералогии, геологии и сравнительной анатомии Казанского университета, жил в Казани.

В 1849 окончил Казанский университет. До 1851 учитель Нижегородского дворянского института. С 1851 адъюнкт Казанского университета; магистр, затем доктор (1855). С 1858 неоднократно выезжал за рубеж в научные командировки. С 1860 профессор зоологии, с 1862 — ординарный профессор зоологии Казанского университета. В 1870—1885 профессор Санкт-Петербургского университета (продолжал читать лекции до 1894).

Основал на Соловецком острове на Белом море зоологическую станцию (ныне Мурманский морской биологический институт) и был её директором. C 1891 президент Русского общества экспериментальной психологии.

С 1848 публиковал популярные статьи на темы зоологии в журнале «Русская иллюстрация». В 1861—1864 редактор «Учёных записок Казанского университета». В 1877—1879 редактор научно-популярного журнала «Свет». Научно-популярные очерки издал книгой «Картины из жизни животных» (1901).

Известные научные сочинения: «Самопроизвольное размножение гусениц у насекомых» (1862, здесь Вагнер впервые установил явления педогенеза); «Беспозвоночные Белого моря» (1885) и другие.

Был убеждённым спиритом и много писал о спиритизме, полемизировал с Д. И. Менделеевым и другими критиками спиритизма.

Известен главным образом как детский писатель.