1946年新潟県南蒲原郡加茂町（現・加茂市）で金物屋を営む家に次男として生まれる。3歳で胸椎カリエスを患い、ほぼ1年間を寝たきりの生活で送る。10代から数々の美術展、ポスター展などに入選。1962年新潟県立三条実業高等学校商業科に入学し、商業美術部に所属。1965年デザイナーを志して上京し、桑沢デザイン研究所リビングデザイン科へ入学。1967年に同校教員であった写真家・大辻清司の強い勧めで研究科写真専攻へ進む。1968年桑沢デザイン研究所を卒業し、デザインの仕事と並行して写真を撮り続ける。1971年初の写真集『日々』（自費出版、限定1000部）を桑沢時代の友人、関口正夫と共著で出版。1977年、『SELF AND OTHERS』（白亜館）を自費出版。1978年、本写真集と展覧会により日本写真協会賞新人賞受賞。1983年、体調不良のため帰郷し、静養を続けるが、6月2日、心不全のため死去。享年36歳。1992年に飯沢耕太郎が編集長を務めた写真雑誌『deja-vu』第8号で特集が組まれる。2004年には回顧展「牛腸茂雄　1946-1983」（新潟市立美術館、山形美術館、三鷹市民ギャラリー）が開催される。没後30年にあたる2013年、『こども』（白水社）、新装版『見慣れた街の中で』（山羊舎）が相次いで刊行される。没後40年にあたる2023年には『牛腸茂雄全集』（赤々舎）が刊行され、回顧展も東京、伊丹市で開催された。