Carlos Antonio de Padua Chávez y Ramírez nació el 13 de junio de 1899 en Popotla, cerca de Ciudad México. Era el más pequeño de seis niños y desde la muerte de su padre, cuando sólo contaba cinco años, fue criado por su madre Juvencia. Juvencia estaba capacitada para educar a sus hijos, ya que era la directora de la Escuela Normal de Jóvenes Mujeres de Popotla. 

Durante la Revolución de 1910, se le ordenó a todos los maestros dejar la capital de México, y la familia de Carlos se reubicó en Veracruz. En un viaje a la ciudad de México, cuando Carlos tenía 16 años, casi fue alcanzado por una bala perdida durante una refriega entre facciones opuestas. No obstante, la familia sobrevivió en estos tiempos difíciles, y al final de las hostilidades se establecieron nuevamente en la ciudad capital de México.

A los 9 años, Carlos había empezado a tomar clases de piano con su hermano Manuel y estudió brevemente con Asunción Parra. Luego, en 1910, se hizo estudiante de Manuel Ponce, el principal compositor mexicano de aquel tiempo. Cinco años después, Chávez conoció a Pedro Luis Ogazón, el hombre a quien después le atribuiría su formación musical. Ogazón fue quien introdujo la música de Debussy en México, en 1903; y en su relación con Chávez, le inculcó la teoría de armonía de Juan Fuentes.

Poco después de iniciar sus estudios de piano, Chávez empezó a componer. Escribió algunas piezas sencillas y se volvió adepto a improvisar sobre el teclado. A los 12 años devoró con asiduidad el Tratado de instrumentación y orquestación de Albert Guiraud, aprendiendo a leer y estudiar las partituras orquestales de los grandes maestros. Tres años después empezó a componer su primera sinfonía, aunque, para esa fecha, sólo había escuchado una orquesta sinfónica en una ocasión. La sinfonía fue concluida en 1918: Sinfonía para orquesta.

Autodidacta ante todo, Chávez nunca intentó convertirse en discípulo de otro compositor, sino que recurrió a sus propios análisis de las obras de los clásicos. Sin embargo, completó sus estudios formales en el Conservatorio Nacional y se diplomó en composición. En 1920, la firma Wagner y Levien, en Ciudad México, publicó algunas de sus primeras composiciones para piano, creando así las condiciones para darlo a conocer al mundo.

El primer concierto público de su música ocurrió en 1921, con la ejecución de su Sexteto para cuerdas y piano. La presentación fue bien recibida y el nuevo gobierno revolucionario no tardó en comisionarle la composición de un ballet basado en antiguos temas aztecas. En El fuego nuevo, Chávez incorporó muchos temas indígenas que recordaba de sus primeros intentos por crear un trabajo orquestal con sonoridad distinta, y que fueron de importancia seminal para sus composiciones futuras. Desdichadamente, la obra fue rechazadapor Julián Carrillo, director de la Orquesta Sinfónica Nacional, y permaneció inédita hasta 1928, cuando fue estrenada por la Sinfónica, dirigida por el mismo Chávez.

En 1922 Carlos se casó con Otilia Ortiz, otra aventajada discípula de Ogazón, en la ejecución del piano. Juntos, Otilia y Carlos se fueron de gira por Europa y se esforzaron en difundir las composiciones musicales de Chávez. Su Segunda sonata para piano fue publicada por la firma berlinesa Bote und Bock, y su nombre empezó a ser reconocido fuera de su país natal.

Mientras visitaba París, Chávez se hizo amigo del compositor Paul Dukas, quien lo alentó para que se concentrara en la rica herencia musical de México, de la misma manera como Falla había hecho con la música española, y Bartók y Kodaly con la música folklórica de Hungría. De regreso en México para el nacimiento de Anita, su primera hija, Chávez organizó conciertos de música contemporánea en la Escuela Preparatoria Nacional, y promocionó muchos trabajos que, hasta entonces, no habían sido escuchados en México. Entre los compositores cuyas obras fueron interpretadas, estaban Bartók, Honegger, Milhaud, Poulenc, Satie, Schoenberg, Stravinsky y Varèse, así como el mismo Chávez.

Sin embargo, la recepción pública a estos conciertos fue tan sólo tibia, por lo cual Chávez decidió regresar a Nueva York, ciudad que había visitado por un corto periodo, después del nacimiento de Anita. Chávez se despidió de Otilia, de Anita y de Agustín, su hijo recién nacido, y se aventuró en Estados Unidos con su compatriota, el pintor Rufino Tamayo, con quien compartió un apartamento en Greenwich Village. Chávez no tardó en conocer a Aaron Copland y Edgard Varèse, quienes le ayudaron a entrar en contacto con los rebeldes musicales de la época. Sus trabajos fueron escuchados por fin, y recibieron críticas favorables.

Después de recibir finalmente un merecido aplauso, Chávez regresó a México en 1928, para aceptar el cargo de director musical de la Orquesta Sinfónica Mexicana. Bajo su mando, la orquesta fue reorganizada y, al año siguiente, cambió su nombre a Orquesta Sinfonía de México. La orquesta floreció durante las 21 temporadas en que Chávez fue su director, y se convirtió en la primera orquesta estable en la historia de México. Chávez también fue designado como director del Conservatorio Nacional, donde enseñó composición e inspiró a nuevas generaciones de compositores musicales, como Candelario Huizar, Silvestre Revueltas, Daniel Ayala, Blas Galindo, Salvador Contreras, y José Moncayo.

La década de 1930 dio origen a la mayoría de las obras más memorables de Chávez, incluyendo la Sinfonía de Antígona (1933), Sinfonía india (1935), Chapultepec (1935), Diez preludios para piano (1937), y su Concierto para piano y orquesta (1938). Para culminar la década, en 1940 Chávez fue encargado de componer una obra que conmemorara la exhibición de arte mexicano en el Museo de Arte Moderno de Nueva York. El resultado fue Xochipilli: Una música azteca imaginaria, arreglada para cuatro instrumentos de viento y seis de percusión, utilizando una variedad de instrumentos indígenas mexicanos.

En 1943, Chávez fue uno de los trece miembros fundadores del Colegio Nacional y desarrolló una amplia labor como conferencista de temas musicales. Chávez también abrió una editorial musical llamada Ediciones Mexicanas de Música, que ayudó a popularizar a muchos compositores modernos. Poco después de la toma de posesión del presidente Miguel Alemán, Chávez fue nombrado director del nuevo cuerpo administrativo denominado Instituto Nacional de Bellas Artes (INBA). Bajo su dirección, las artes florecieron en México como nunca antes.

Sin embargo, debido a sus nuevas responsabilidades, Chávez tuvo que renunciar a su posición en la Orquesta Sinfonía de México, cuyo contrato fue disuelto en 1949 y cuyo repertorio de nuevas composiciones fue disminuido significativamente. De este periodo, su trabajo más notable fue quizá su Concierto para violín y piano, escrito entre 1948 y 1950.

Chávez se retiró del INBA en 1952 para reducir sus deberes administrativos y dedicarse más a la composición, la enseñanza, las conferencias y la dirección orquestal. Durante las décadas de 1960 y 1950, recibió una serie de encargos para nuevas composiciones, incluyendo tres sinfonías: Sinfonía número 4 (solicitada por la Orquesta Sinfónica de Louisville), Sinfonía número 5 (para la Fundación Serguei Koussevistky) y la Sinfonía número 6 (para el Centro Lincoln de las Artes Representativas, de Nueva York). En 1969, Chávez volvió a asumir cargos administrativos, al aceptar la posición de Secretario de Educación Pública. Después de criticar de modo severo los métodos educativos que se utilizaban en el Conservatorio Musical, el nuevo presidente de México, Luis Echevarría, le encargó el desarrollo de un curriculum completo para las escuelas públicas, y lo nombró jefe del Departamento de Música del INBA, y director musical de la Orquesta Sinfónica Nacional. Lamentablemente, Chávez tuvo una disputa con el sindicato de músicos de la orquesta, y renunció a ambos cargos.

Después de esta decepcionante experiencia, Chávez recurrió más a los Estados Unidos para expresar sus ideas musicales. Trabajó con varias organizaciones y universidades norteamericanas y británicas; y, desilusionado con el estado de la vida musical en México en esta época, permaneció la mayor parte de sus últimos años en la ciudad de Nueva York. En 1974 alquiló un apartamento frente al Centro Lincoln y allí vivió hasta su muerte. Chávez dio su concierto final, dirigiendo el estreno de su Concierto para trombón, el 8 de mayo de 1978, en Wáshington, D.C.

Carlos Chávez murió el 2 de agosto de 1978. Quizá, de manera apropiada, su muerte ocurrió mientras visitaba a su hija Ana en el suburbio de Coyoacán, en la ciudad de México; falleciendo tranquilamente en la tierra natal a la que rindió tantos honores en su voluminosa obra.