Родился в семье крепостных крестьян, принадлежавших графу А.С. Строганову в селе Новое Усолье 17(28) октября 1759 г. С раннего детства проявил способность к рисованию. Обучался живописи в мастерской уральского иконописца Гаврилы Юшкова. Талант юноши привлёк внимание Строганова, бывшего долгое время президентом петербургской Академии художеств. В 1777 г. за счёт графа отправлен учиться в Москву, где его учителями стали архитекторы В.И. Баженов и М.Ф. Казаков. С 1779 г. Воронихин работал в Петербурге, проживая в Строгановском дворце. С 1784 г. по 1790 г. совершил четыре поездки по России и Западной Европе. В 1786 – 1790 гг. изучал архитектуру, механику и математику во Франции и Швейцарии. В заграничных путешествиях был в числе сопровождающих сына графа, Павла Строганова, покинувшего Россию для завершения образования. В 1785 г. (по другим данным, в 1787 г.) Воронихин получил от Строганова отпускную, став таким образом свободным. В 1797 г. художник получил звание академика «перспективной живописи» Академии художеств за картины «Вид картинной галереи в Строгановском дворце» (1793 г., Эрмитаж) и «Вид Строгановской дачи» (1797 г., Русский музей, Санкт-Петербург). С начала 1800-х преподавал в Академии художеств. К ранним зодческим работам Воронихина относится отделка интерьеров Строгановского дворца (1793 г.). Пышные барочные формы, предложенные Растрелли, Воронихин заменил строгими классическими, отличающимися простотой и изяществом. Аналогичным образом он перестроил интерьеры Строгановской дачи на Чёрной речке (1795 – 1796 гг.), а также дома в усадьбе Городня (1798 г.). Звание академика архитектуры Воронихин получил в 1800 г. за проект колоннад в Петергофе. С 1802 г. он был профессором Академии художеств. Главным творением Воронихина стал собор в честь иконы Казанской Божией Матери в Санкт-Петербурге. Закладка собора состоялась 27 марта 1801 г., окончены работы в 1811 г. Другое крупное сооружение Воронихина в Петербурге – здание Горного кадетского корпуса (позже института, 1806 – 1811 гг.). И здесь мастер давал архитектурное решение в неразрывной связи с задачей ансамбля. Место, отведенное для строительства находилось на берегу Невы, у самого входа в город со стороны моря. Архитектурной доминантой его стал мощный двенадцатиколонный портик, возникающий словно пропилеи на морском пути в столицу. В числе других работ Воронихина — дом Государственного казначейства, здание Горного института, колоннады и каскад в Петергофе, интерьеры дворцов в Стрельне, Гатчине и Павловске, а также парковые сооружения в этих дворцово-парковых ансамблях. Зодчий скончался 21 февраля (5 марта) 1814 г. в Петербурге. Похоронен на Лазаревском кладбище Александро-Невской лавры.
В 1765 - 1772 гг. будущий русский архитектор и живописец, представитель классицизма, один из основоположников русского ампира, обучался в иконописной мастерской села Ильинского.