Γεννήθηκε στις 2 Νοεμβρίου του 1911 στο Ηράκλειο της Κρήτης. Το φθινόπωρο του 1924 εγγράφηκε στο Γ΄ Γυμνάσιο Αρρένων Αθηνών και συνεργάστηκε με το περιοδικό Η Διάπλασις των Παίδων, χρησιμοποιώντας διάφορα ψευδώνυμα. Εκτός από την ενασχόλησή του με τη λογοτεχνία, ασχολήθηκε ενεργά με ορειβατικές εκδρομές στα βουνά της Αττικής και, αντιδρώντας στη διάθεσή του για διάβασμα, στράφηκε στον αθλητισμό. Ακόμη και τα βιβλία που αγόραζε έπρεπε να έχουν σχέση με την ελληνική φύση: Δημήτριος Καμπούρογλου, Κώστας Πασαγιάννης, Στέφανος Γρανίτσας κι ένας τρίτομος Οδηγός της Ελλάδος. Την άνοιξη του 1927 μία υπερκόπωση και μία αδενοπάθεια τον ανάγκασαν να εγκαταλείψει τις φίλαθλες τάσεις του καθηλώνοντάς τον στο κρεβάτι για περίπου τρεις μήνες. Ακολούθησαν ελαφρά συμπτώματα νευρασθένειας και περίπου την ίδια περίοδο στράφηκε οριστικά προς τη λογοτεχνία, γεγονός που συνέπεσε με την εμφάνιση αρκετών νέων λογοτεχνικών περιοδικών, όπως η Νέα Εστία και τα Ελληνικά Γράμματα.
Το καλοκαίρι του 1928 πήρε το απολυτήριο του γυμνασίου με βαθμό 73/11. Μετά από πιέσεις των γονέων του, αποφάσισε να σπουδάσει χημικός, ξεκινώντας ειδικά φροντιστήρια για τις εισαγωγικές εξετάσεις του επόμενου έτους. Την ίδια περίοδο ήρθε σε επαφή με το έργο του Κωνσταντίνου Καβάφη και του Ανδρέα Κάλβου ανανεώνοντας τη γνωριμία του με τη θελκτική αρχαία λυρική ποίηση. Παράλληλα ανακάλυψε το έργο του Πωλ Ελυάρ και των Γάλλων υπερρεαλιστών, που επέδρασαν σημαντικά στις ιδέες του για τη λογοτεχνία.
Το 1935 στάθηκε μια ιδιαίτερη χρονιά στην πνευματική πορεία του. Τον Ιανουάριο κυκλοφόρησε το περιοδικό Νέα Γράμματα. Τον Φεβρουάριο γνώρισε τον Ανδρέα Εμπειρίκο, που χαρακτηριστικά τον περιέγραψε: «O μεγάλης αντοχής αθλητής της φαντασίας, με γήπεδο την οικουμένη ολόκληρη και διασκελισμό τον Έρωτα. Το έργο του, κάθε του καινούργιο έργο, ζωσμένο από ένα μικρό ουράνιο τόξο, είναι μια υπόσχεση προς την ανθρωπότητα, μια δωρεά που αν δεν την κρατούν ακόμα όλοι στα χέρια τους είναι αποκλειστικά και μόνον από δική τους αναξιότητα».
Κατά τη διάρκεια μιας συγκέντρωσης του κύκλου των Νέων Γραμμάτων στο σπίτι του ποιητή Γεώργιου Κ. Κατσίμπαλη, οι παριστάμενοι κράτησαν ορισμένα χειρόγραφα του Ελύτη, με το πρόσχημα να τα μελετήσουν καλύτερα, και τα στοιχειοθέτησαν κρυφά με το ψευδώνυμο «Οδυσσέας Βρανάς», με στόχο τη δημοσίευσή τους, παρουσιάζοντάς τα αργότερα στον ίδιο τον Ελύτη. Αυτός αρχικά ζήτησε την απόσυρσή τους απευθύνοντας ειδική επιστολή στον Κατσίμπαλη, ωστόσο τελικά πείστηκε να δημοσιευτούν αποδεχόμενος το επίσης ψευδώνυμο «Οδυσσέας Ελύτης».
Η δημοσίευση των πρώτων ποιημάτων του στα Νέα Γράμματα έγινε τον Νοέμβριο του 1935, στο 11ο τεύχος του περιοδικού. Ο Ελύτης δημοσίευσε επίσης μεταφράσεις ποιημάτων του Ελυάρ και στο προλογικό του άρθρο παρουσιάζει τον δημιουργό τους ως τον ποιητή που «ό,τι γράφει φτάνει αμέσως στην καρδιά μας, μας χτυπάει κατάστηθα σαν κύμα ζωής άλλης βγαλμένης από το άθροισμα των πιο μαγικών ονείρων μας».
Το 1936, στην «Α΄ Διεθνή Υπερρεαλιστική Έκθεση των Αθηνών», ο Ελύτης παρουσίασε ζωγραφικούς πίνακες με την τεχνική του κολάζ. Εκείνη τη χρονιά, η ομάδα των νέων λογοτεχνών ήταν πιο στέρεη και μεγαλύτερη. Ο Ελύτης γνωρίστηκε επίσης με τον ποιητή Νίκο Γκάτσο, που μερικά χρόνια αργότερα τύπωσε την υπερρεαλιστική Αμοργό. Το 1937 υπηρέτησε τη στρατιωτική του θητεία στη Σχολή Εφέδρων Αξιωματικών στην Κέρκυρα, αλληλογραφώντας παράλληλα με τον Νίκο Γκάτσο και τον Γιώργο Σεφέρη, που βρίσκονταν στην Κορυτσά. Λίγο μετά την απόλυσή του, τον επόμενο χρόνο, ο Μήτσος Παπανικολάου δημοσίευσε το άρθρο «Ο ποιητής Οδυσσέας Ελύτης» στα Νέα Γράμματα, το οποίο συνέβαλε στην καθιέρωσή του.
Το 1939 εγκατέλειψε οριστικά τις νομικές σπουδές και, μετά από αρκετές δημοσιεύσεις ποιημάτων του σε περιοδικά, τυπώθηκε η πρώτη του ποιητική συλλογή με τίτλο Προσανατολισμοί. Τον επόμενο χρόνο, μεταφράστηκαν για πρώτη φορά ποιήματά του σε ξένη γλώσσα, όταν ο Samuel Baud Bovy δημοσίευσε ένα άρθρο για την ελληνική ποίηση στο ελβετικό περιοδικό Formes et Couleurs.
Με την έναρξη του πολέμου του 1940, ο Ελύτης κατατάχθηκε ως ανθυπολοχαγός στη Διοίκηση του Στρατηγείου Α΄ Σώματος Στρατού. Στη διάρκεια της Κατοχής υπήρξε ένα από τα ιδρυτικά μέλη του «Κύκλου Παλαμά», που ιδρύθηκε στις 30 Μαΐου του 1943. Εκεί, την άνοιξη του 1942 παρουσίασε το δοκίμιό του «Η αληθινή φυσιογνωμία και η λυρική τόλμη του Α. Κάλβου». Τον Νοέμβριο του 1943 εκδόθηκε η συλλογή Ο Ήλιος ο Πρώτος μαζί με τις Παραλλαγές πάνω σε μια αχτίδα, σε 6.000 αριθμημένα αντίτυπα, ένας ύμνος του Ελύτη στη χαρά της ζωής και στην ομορφιά της φύσης. Στα Νέα Γράμματα που άρχισαν να επανεκδίδονται το 1944, δημοσίευσε το δοκίμιό του «Τα κορίτσια», ενώ από το 1945 ξεκίνησε η συνεργασία του με το περιοδικό Τετράδιο μεταφράζοντας ποιήματα του Φεντερίκο Γκαρθία Λόρκα και παρουσιάζοντας σε πρώτη δημοσίευση το ποιητικό του έργο Άσμα ηρωικό και πένθιμο για τον χαμένο ανθυπολοχαγό της Αλβανίας.
Το 1948 ταξίδεψε στην Ελβετία, για να εγκατασταθεί στη συνέχεια στο Παρίσι, όπου παρακολούθησε μαθήματα φιλοσοφίας στη Σορβόννη. Στο Παρίσι υπήρξε ιδρυτικό μέλος της Διεθνούς Ένωσης Κριτικών Τέχνης (Association Internationale des Critiques d’Art), ενώ είχε επίσης την ευκαιρία να γνωριστεί με τους Αντρέ Μπρετόν, Πωλ Ελυάρ, Αλμπέρ Καμύ, Τριστάν Τζαρά, Πιερ Ζαν Ζουβ, Ζουάν Μιρό και άλλους. Το καλοκαίρι του 1950 ταξίδεψε στην Ισπανία ενώ κατά τη διάρκεια της παραμονής του στο Λονδίνο, από τα τέλη του 1950 μέχρι τον Μάιο 1951, συνεργάστηκε με το BBC πραγματοποιώντας τέσσερις ραδιοφωνικές ομιλίες. Λίγο νωρίτερα είχε ξεκινήσει τη σύνθεση του Άξιον Εστί.
Μετά την επιστροφή του στην Ελλάδα, το 1952 έγινε μέλος της «Ομάδας των Δώδεκα», που κάθε χρόνο απένειμε βραβεία λογοτεχνίας, από την οποία παραιτήθηκε τον Μάρτιο του 1953, αλλά επανήλθε δύο χρόνια αργότερα. Το 1953 ανέλαβε και πάλι για έναν χρόνο τη Διεύθυνση Προγράμματος του ΕΙΡ, διορισμένος από την κυβέρνηση Παπάγου, θέση από την οποία παραιτήθηκε τον επόμενο χρόνο. Στο τέλος του έτους έγινε μέλος της Ευρωπαϊκής Εταιρείας Πολιτισμού στη Βενετία και μέλος του Διοικητικού Συμβουλίου του θεάτρου Τέχνης του Κάρολου Κουν.
Το 1958, μετά από μία δεκαπενταετή περίπου περίοδο ποιητικής σιωπής, δημοσιεύτηκαν αποσπάσματα από το Άξιον Εστί στην Επιθεώρηση Τέχνης. Το έργο εκδόθηκε τον Μάρτιο του 1960 από τις εκδόσεις Ίκαρος, αν και φέρεται τυπωμένο τον Δεκέμβριο του 1959. Λίγους μήνες αργότερα απέσπασε για το Άξιον Εστί το Α΄ Κρατικό Βραβείο Ποίησης.
Το 1964 ξεκίνησε η ηχογράφηση του μελοποιημένου Άξιον Εστί από τον Μίκη Θεοδωράκη, ενώ η συνεργασία του Ελύτη με τον συνθέτη είχε ξεκινήσει ήδη από το 1961. Το ορατόριο του Θεοδωράκη εντάχθηκε στο Φεστιβάλ Αθηνών και επρόκειτο αρχικά να παρουσιαστεί στο Ηρώδειο. Ωστόσο το Υπουργείο Προεδρίας Κυβερνήσεως αρνήθηκε να το παραχωρήσει, με αποτέλεσμα ο Ελύτης και ο Θεοδωράκης να αποσύρουν το έργο, το οποίο παρουσιάστηκε τελικά στις 19 Οκτωβρίου στο Rex.
To 1965 του απονεμήθηκε από τον Βασιλέα Κωνσταντίνο το παράσημο του Ταξιάρχου του Φοίνικος και το επόμενο διάστημα ολοκλήρωσε τη συλλογή δοκιμίων που θα συγκροτούσαν τα Ανοιχτά Χαρτιά. Παράλληλα πραγματοποίησε ταξίδια στη Σόφια, καλεσμένος της Ένωσης Βουλγάρων Συγγραφέων και στην Αίγυπτο. Μετά το πραξικόπημα της 21ης Απριλίου 1967, απείχε από τη δημοσιότητα ασχολούμενος κυρίως με τη ζωγραφική και την τεχνική του κολάζ, ενώ αρνήθηκε πρόταση να απαγγείλει ποιήματά του στο Παρίσι εξαιτίας της δικτατορίας που επικρατούσε. Στις 3 Μαΐου του 1969 εγκατέλειψε την Ελλάδα και εγκαταστάθηκε στο Παρίσι, όπου ξεκίνησε τη συγγραφή της συλλογής Φωτόδεντρο.
Λίγους μήνες αργότερα επισκέφτηκε για ένα διάστημα την Κύπρο, ενώ το 1971 επέστρεψε στην Ελλάδα και τον επόμενο χρόνο αρνήθηκε να παραλάβει το Μεγάλο Βραβείο Λογοτεχνίας που είχε θεσπίσει η δικτατορία. Μετά την πτώση της δικτατορίας, διορίστηκε πρόεδρος του Διοικητικού Συμβουλίου του ΕΙΡΤ και μέλος για δεύτερη φορά του Διοικητικού Συμβουλίου του Εθνικού Θεάτρου (1974–1977). Κατά τα χρόνια που ακολούθησαν συνέχισε το πολύπλευρο πνευματικό του έργο. Το 1978 αναγορεύτηκε επίτιμος διδάκτορας της Φιλοσοφικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.
Το 1979 τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ Λογοτεχνίας. Η αναγγελία της απονομής του βραβείου από τη Σουηδική Ακαδημία έγινε στις 18 Οκτωβρίου «για την ποίησή του, η οποία, με φόντο την ελληνική παράδοση, ζωντανεύει με αισθηματοποιημένη δύναμη και πνευματική καθαρότητα βλέμματος τον αγώνα του σύγχρονου ανθρώπου για ελευθερία και δημιουργικότητα», σύμφωνα με το σκεπτικό της απόφασης. Ο Ελύτης παρέστη στην καθιερωμένη τελετή απονομής του βραβείου στις 10 Δεκεμβρίου του 1979, παραλαμβάνοντάς το από τον βασιλιά Κάρολο Γουστάβο και γνωρίζοντας παγκόσμια δημοσιότητα. Τον επόμενο χρόνο κατέθεσε το χρυσό μετάλλιο και τα διπλώματα του βραβείου στο Μουσείο Μπενάκη.
Την απονομή του Νόμπελ ακολούθησαν τιμητικές διακρίσεις εντός και εκτός Ελλάδας, μεταξύ αυτών και η απονομή φόρου τιμής σε ειδική συνεδρίαση της Βουλής των Ελλήνων, η αναγόρευσή του σε επίτιμο διδάκτορα του Πανεπιστημίου της Σορβόνης, η ίδρυση έδρας νεοελληνικών σπουδών με τίτλο «Έδρα Ελύτη» στο Πανεπιστήμιο Ρούτγκερς του Νιου Τζέρσεϊ, καθώς και η απονομή του αργυρού μεταλλίου Benson από τη Βασιλική Φιλολογική Εταιρεία του Λονδίνου. Πέθανε στις 18 Μαρτίου του 1996 από ανακοπή καρδιάς στην Αθήνα.