Сын Кавказского наместника генерал-фельдмаршала Михаила Семёновича Воронцова от брака с Елизаветой Ксаверьевной урождённой графини Браницкой, родился 23 октября 1823 года в Одессе.
Образование получил в Одесском Ришельевском лицее, из которого выпущен в 1842 году с правом на чин XII класса и в том же году поступил на службу в Департамент внешних сношений Министерства иностранных дел. В 1845 году произведён в коллежские секретари и назначен в распоряжение своего отца, который тогда же получил должность наместника Кавказа.
С самого начала своего нахождения на Кавказе Воронцов-младший принимал участие в походах против горцев и в 1846 году за отличие в Даргинском походе был произведён в титулярные советники с пожалованием звания камер-юнкера.
2 октября 1847 года Воронцов перешёл из гражданской службы в военную, был зачислен штабс-капитаном в лейб-гвардии Преображенский полк и назначен флигель-адъютантом. В том же году он находился в делах под Гергебилем и Салтами и в начале 1848 года за отличие был награждён орденом св. Владимира 4-й степени с бантом. В кампании 1849 года он также действовал с отличием и был произведён в капитаны и почти сразе же в полковники, 6 октября награждён золотой полусаблей с надписью «За храбрость» и вслед за тем назначен командиром Куринского егерского полка.
1 февраля 1852 года Воронцов был удостоен ордена св. Георгия 4-й степени (№ 8839 по кавалерскому списку Григоровича—Степанова)
1 октября 1852 года он был произведён в генерал-майоры Свиты Его Величества.
Во время Крымской войны Воронцов находился в рядах действующей армии и неоднократно принимал участие в делах с англо-французами под Севастополем, где был ранен; за отличие был награждён орденами св. Станислава 1-й степени с мечами (в 1855 году) и св. Владимира 3-й степени с мечами (в 1856 году); 6 декабря 1856 года назначен генерал-адъютантом.
17 апреля 1862 года Воронцов был произведён в генерал-лейтенанты; в 1865 году назначен Одесским городским головой; в 1869 году получил орден св. Анны 1-й степени с императорской короной и мечами; в 1870 году уволен в бессрочный отпуск с дозволением выехать за границу для лечения.
Вернувшись на службу в середине 1870-х годов, Воронцов был назначен командиром 10-го армейского корпуса, который во время русско-турецкой войны 1877—1878 годов находился в резерве действующей армии и стоял в Крыму, и в 1878 году произведён в генералы от инфантерии.
Скончался 6 мая 1882 года в Санкт-Петербурге.
Воронцов был первым президентом Одесского общества изящных искусств, кроме того он оказывал значительную поддержку археологическим изысканиям под Одессой.
