真田昌幸の嫡子。幼名は源三郎。従五位下・伊豆守。隠居してのちは一当斎と号す。
天正１４年（１５８６）１１月に父・昌幸が徳川家康の配下となったときに徳川氏に出仕し、天正１７年（１５８９）２月１３日、家康に謁見。その後、徳川氏の重臣である本多忠勝の娘・小松を家康の養女として娶り、徳川氏との結びつきを深めた。
天正１８年（１５９０）の小田原征伐では昌幸と共に上野・武蔵国の北条氏に与する諸城を陥落させた。こののち、旧領を回復して上野国沼田城主となる。
文禄３年（１５９４）１１月２日、従五位下・伊豆守に叙任。
慶長５年（１６００）の関ヶ原の役においては、西軍に与した父や弟・幸村と別れて徳川方（東軍）に属し、中山道から美濃国へと向かう徳川秀忠軍に従軍した。戦後、自分の戦功に替えて父と弟の助命を嘆願し、ふたりは死を免れて高野山へと配流された。
また、この年に名乗りを「信之」に改めている。
翌年には旧来の上野国利根郡（沼田）２万７千石に、昌幸の所領であった信濃国小県郡（上田）３万８千石と加増分３万石を与えられて９万５千石の信濃国上田城主となる。
慶長年間末期の大坂冬の陣・夏の陣に際しては病床にあったため自らの参陣はできず、長男・信吉を従軍させている。
元和８年（１６２２）１０月に信濃国松代藩１３万５千石へ移封の沙汰を受け、うち沼田領３万石を信吉に分知した。
寛永１１年（１６３４）６月に信吉に先立たれ、明暦３年（１６５７）７月（明暦２年１０月とも）に家督を二男の信政に譲って松代の柴村へ隠居するまで藩主の座に在り続けたが、その信政も明暦４年（＝万治元：１６５８）２月に没したために家督の相続問題が持ち上がる。同年６月にこの問題は落着したが、この心労のためか８月末頃より病臥するようになり、１０月１７日に没した。９３歳。大鋒院殿鉄巌一当大居士。