Cumberbatch ist der Sohn der Schauspieler Timothy Carlton und Wanda Ventham. Seine Cousine ist die Schauspielerin Hannah Taylor-Gordon. Er besuchte die Harrow School und die Universität Manchester. Anschließend absolvierte er die London Academy of Music and Dramatic Art.

Seit November 2014 ist er mit der Schauspielregisseurin Sophie Hunter verlobt, wie in der britischen Tageszeitung The Times bekannt gegeben wurde.