1882. december 16-án született Kecskeméten, zenekedvelő vasutas családban. Szavai szerint első és legmélyebb zenei élménye az volt, amikor háromévesen meghallotta Mozart F-dúr hegedűszonátáját. Apját 1885-ben Galántára helyezték, itt szerette meg a népdalokat, itt itatódott át a nép kultúrájával. Nagyszombatban gimnáziumi tanulmányai mellett hegedülni, gordonkázni és zongorázni tanult. A zeneirodalommal partitúrákból ismerkedett meg, a legnagyobb hatással Beethoven C-dúr miséje és Liszt Ferenc Esztergomi miséje volt rá.
Eötvös-kollégistaként egy időben tanult a budapesti bölcsészkar magyar-német és a Zeneakadémia zeneszerzés szakán. 1905-ben kezdte el a népdalgyűjtést, barátságot kötött Bartók Bélával, közös kiadványuk Magyar népdalok címmel jelent meg. Első zenekari darabját, a Nyári estét 1906-ban mutatták be, és ekkor kötött házasságot Sándor Emmával.
Több külföldi tanulmányutat tett, Párizsban megismerkedett Debussy zenéjével, 1907-ben a Zeneakadémia tanárává nevezték ki. Bartókkal közös törekvéseik a modern zene népszerűsítésére és a népdalgyűjtésre rendre elakadtak a közönség közönyén és a hivatalos körök ellenállásán. 1917 és 1919 között a Nyugatban megjelent cikkeiben a népzene jelentőségét hirdette, és lefektette a Bartók-féle esztétika alapjait. Az 1918-as őszirózsás forradalom idején a Zeneakadémia aligazgatójává nevezték ki, a Kommün alatt részt vett a zenei direktórium munkájában, ezért később fegyelmi eljárás indult ellene, évekig nem taníthatott, hallgatásra kényszerült.
Elszigeteltségéből 1923-ban az alig három hónap alatt, Budapest egyesítésének 50. évfordulójára írott Psalmus Hungaricus nemzetközi sikere emelte ki. Három évvel később világsikert aratott Háry János című daljátéka is, az 1932-ben bemutatott, népdalokra épülő Székelyfonót a milánói Scalában is színre vitték. Műveit Arturo Toscanini is vezényelte, akivel baráti kapcsolatot ápolt, Kodály volt "a Maestro" lányának esküvői tanúja. Sorra születtek jelentős alkotásai: a Marosszéki táncok (1927-1930), a gyermekkori élményeket idéző Galántai táncok (1933), a Buda visszavételének 250. évfordulójára írott Budavári Te Deum (1936), a Fölszállott a páva (1939), a Concerto (1940).
Kodály nevelői tevékenysége egyre szélesedett, kompozíciói mellett ének- és olvasógyakorlatokkal is segítette a magyar kórusmozgalmat. Zeneelméleti tevékenységének jelentős állomása volt A magyar népzene című monográfiája (1937). Rokonszenvezett a népi írók mozgalmával, a Márciusi Front tevékenységével, tiltakozott a faji megkülönböztetésen alapuló törvények ellen. A második világháború alatt mentette az üldözötteket, végül neki is bujkálnia kellett, de közben befejezte Missa brevisét. Ez volt az első darab, amelyet 1945 februárjában a felszabadult Pesten bemutattak, amikor az Operaház alsó ruhatárában felcsendült a zene, Budán még tartott a főváros ostroma.
Kodály lett a Zeneakadémia igazgatótanácsának elnöke, 1946 és 1949 között a Magyar Tudományos Akadémia elnöke volt, 1946-ban első amerikai hangversenykörútján saját műveit vezényelte. 1948-ban mutatták be Czinka Panna című daljátékát (a szöveg Balázs Béla műve), három évvel később a Kállai kettőst, ennek előadásával mutatkozott be a Magyar Állami Népi Együttes, 1951-től jelentek meg irányítása alatt a Magyar Népzene Tára kötetei. Utolsó nagy művei a Mohács (1965) és a Laudes organi (1966). Első feleségének halála után, 1959-ben másodszor is megnősült, Péczely Saroltát vette feleségül.
1930-ban megkapta a Corvin-koszorút, 1948-ban a Kossuth-díjat, 1952-ben és 1957-ben a Kossuth-nagydíjat, számos egyetem avatta díszdoktorává, 1965-ben átvehette a Herder-díjat is. 1967. március 6-án halt meg Budapesten.
Életművének jelentős részét alkotja egyházzenei munkássága. Kórusművei a vokális zenének csak Palestrinához hasonlítható csúcspontjai. Bartókkal korszakalkotó munkát végzett a magyar népzene gyűjtésében, de az ő tevékenysége szinte kizárólag magyar nyelvterületekre irányult. Jelentős volt munkássága a néprajz, zenetörténet, zeneesztétika, zenekritika, irodalomtörténet, a nyelvészet és a nyelvművelés területén is. Szívügye volt a tiszta kiejtés, nemcsak zenei, hanem nyelvművelő versenyeken is elnökölt. A magyar zene érdekében tudományszervezéssel és ismeretterjesztéssel is foglalkozott, meggyőződése volt, hogy csak az emberi hang, a közös ének lehet a széles körű zenekultúra alapja. Felismerte az ifjúság zenei nevelésének fontosságát, és egész életén át ezért harcolt, ideértve az iskolai énekoktatást, a zenei írás-olvasás alapvető funkcióját a tantervben, valamint a kóruskultúra hazai elemekre építő ápolását. A Kodály-módszer ma már világszerte ismert és követett példa a zenepedagógiában, 2016-ban az UNESCO felvette a szellemi kulturális örökség listájára. Kodály azt hirdette, hogy a zene lelki táplálék, semmi mással nem pótolható örömforrás, melynek birtokában jobb, harmonikusabb, fegyelmezettebb, teljesebb emberek leszünk.
Nevét számos közterület, oktatási intézmény, kórus és kórusverseny és a Vásáry Tamás által alapított Kodály Zoltán Ifjúsági Világzenekar viseli. 1975-ben hozták létre a kecskeméti Kodály Intézetet, a róla elnevezett ösztöndíjat 1984-ben alapították fiatal zeneszerzők, zenetudósok és zenekritikusok részére. Egykori budapesti, köröndi lakásában működik a Kodály Zoltán Emlékmúzeum és Archívum. Élet-pálya címmel 2011-ben kötet jelent meg róla.