A Tolna megyei Felsőrácegrespusztán született 1902. november 2-án, apja uradalmi gépész volt. Tanulmányait a pusztai népiskolában kezdte, majd Simontornyán, Bonyhádon, Dombóváron folytatta. 1916-ban, szülei válása után édesanyjával a fővárosba költözött, itt érettségizett. 1918-19-ben aktívan részt vett a baloldali diákmozgalomban, önként állt a kommün katonái közé, tizenhét évesen harcolt a román csapatok ellen vívott szolnoki ütközetben. Első verse El ne essél, testvér címmel 1920-ban név nélkül jelent meg a Népszavában.

Érettségi után a budapesti tudományegyetem magyar-francia szakos hallgatója volt, de illegális tevékenysége miatti letartóztatástól tartva 1921 végén elhagyta Magyarországot, Párizsba ment. A nagyhírű Sorbonne-on hallgatott filozófiát, pszichológiát, irodalomtörténetet és francia nyelvészetet, könyvkötésből tartva fenn magát. 1926-ban tért haza, ezután biztosítási intézetnél tisztviselő, majd sajtóelőadó volt a Magyar Nemzeti Banknál. 1939-ben megnősült, felesége Kozmutza Flóra gyógypedagógus-pszichológus volt.

Illyés avantgárd stílusban írt első verseit Kassák Lajos Munka című lapja közölte, de rövidesen már a Nyugatban jelent meg kritikája, és ez a folyóirat lett költeményeinek fő publikációs fóruma, 1928-ban a Nyugat adta ki első verseskötetét Nehéz föld címmel. A harmincas évek elejétől Illyés az irodalmi közélet jelentős szereplője: munkatársa volt a Válasznak, 1934-ben részt vett az első szovjet írókongresszuson, 1937-ben egyik alapítója volt a Márciusi Frontnak. Babitscsal együtt szerkesztette a Nyugatot, a költő halála után, 1941-1944 között a lap utódja, a Magyar Csillag főszerkesztője volt. Magyarország 1944 márciusi megszállása után a fővárosban és vidéken bujkált.

A második világháború utáni években aktívan részt vett a közéletben: egyik vezetője volt a Nemzeti Parasztpártnak, volt országgyűlési képviselő, 1946 és 1949 között szerkesztette az újraindult Választ. 1948-tól visszavonult a közélettől, és csak írói munkásságának élt. A hatvanas-hetvenes években íródelegációk tagjaként sokat utazott külföldre. 1969-ben a nemzetközi PEN egyik alelnökévé is megválasztották.

Illyés költészetében a háború után a realista módon megjelenített társadalmi és nemzeti sorskérdések váltak meghatározóvá. Nagy hatású, Egy mondat a zsarnokságról című költeményét 1956. november 2-án az Irodalmi Újság adta közre, a forradalom leverése után a versről évtizedekig szó sem eshetett. Legszemléletesebb, balladaszerű alkotásai a magyar történelem egy-egy pillanatát idézik (Hősökről beszélek, Három öreg, Dózsa beszéde).

Prózaíróként is kiváló volt. A magyar szociográfiát a széppróza rangjára emelte a Puszták népében (1936), a forradalmiság kérdése foglalkoztatta Petőfi Sándorról szóló monográfiájában (1936). Hunok Párizsban című önéletrajzi regénye (1946) a Párizsba menekült magyar művészek világába vezet. 1969-ben világirodalmi szinten is újdonságot hozott a Kháron ladikján című esszéregénye, amelyben kendőzetlen nyíltsággal vallott az öregedéssel járó szellemi és fizikai problémákról.

Vérbeli színpadi szerző volt, nagy ívű drámák mellett kitűnő szatirikus vígjátékok írója. A hatvanas években a nemzeti tudatot formálni kívánó történelmi drámákkal gazdagította a magyar irodalmat (Ozorai példa, Fáklyaláng, Kegyenc, Malom a Séden). Vígjátékai is nagy közönségsikert arattak (A tű foka, Tűvétevők).

Életpályája átívelte az egész 20. századot, a nemzeti és egyetemes értékek olyan összhangjával, amely a magyar irodalom legjobbjai közé emelte. Számos kitüntetésben részesült: Kossuth-díjat három alkalommal kapott (1948, 1953, 1970). 1949-ben megszűnt akadémiai tagságát - posztumusz - 1989-ben állították vissza, 2010-ben a Magyar Írószövetség posztumusz örökös tagjává választotta.

Illyés Gyula 1983. április 15-én halt meg Budapesten. 2011-ben utcát neveztek el róla a fővárosban. 2003 áprilisában a Magyar Tudományos Akadémia Irodalomtudományi Intézetének keretein belül kezdte meg működését az Illyés Gyula Archívum és Műhely, ahol könyvtárának és kéziratos hagyatékának jelentős része található. 2012-ben lánya egy addig ismeretlen regényre bukkant a kéziratok rendezésekor, az Ítélet előtt című munkát Illyés 1949 és 1956 között írhatta.