司空图早年为王凝赏识，在其推荐下于唐懿宗咸通10年（869年）中进士，后为报恩，放弃在朝中为官的机会，长期居于王凝幕府中。878年，被任命为光禄寺主簿，分司洛阳。在洛阳期间得到卢携的赏识，后卢携回朝复相，司空图被任命为礼部员外郎，不久升任郎中。

唐僖宗广明元年（880年），黄巢入长安，司空图拒绝其招揽，逃往凤翔投奔唐僖宗，被任命为知制诰、中书舍人。次年，唐僖宗迁往宝鸡，司空图与其失散，回乡隐居中条山王官谷。唐昭宗及宰相朱温屡次徵召其为侍郎、尚书等职，他均坚辞不受，最后接受了宰相柳璨的要求为官，却故意装作衰老的样子，在朝堂上失手坠落笏板，得以放还本乡中条山。907年，朱温废去唐哀帝，建立后梁，次年又将哀帝刺杀。司空图闻信后，绝食而死。

司空图没有儿子，有女儿嫁给姚顗。司空图以外甥荷为嗣，因此被御史弹劾，但昭宗不予罪责。司空荷官至永州刺史。

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