1902. november 2-án született a Tolna megyei Felsőrácegrespusztán. Apja Illés János uradalmi gépész, katolikus. Anyja Kállay Ida, az Alföldről elszármazott református családban nevelkedett. Testvérei Ferenc és Klára. A pusztai népiskolában tanult.
1912-ben a család Simontornyára költözött, itt fejezte be a negyediket, s végezte el az elemi ötödik osztályát, majd Dombóváron (1913–1914) és Bonyhádon (1914–1916) gimnazista. A gyerekkori emlékek, a puszta, a falvak, a környező táj Illyés Gyula számos prózai és színpadi művének, versének ihletői voltak. Nemcsak a pusztát tekintette szülőföldjének, hanem az elszórt falvak és a táj együttesét.
1916-ban szülei elváltak, ő anyjával Budapestre költözött. Az érettségi után a budapesti bölcsészkar magyar–francia szakos hallgatója lett.
1918–1919-ben kapcsolatba került a baloldali diák- és ifjúmunkás mozgalmakkal.
1921 végén – a letartóztatás elől menekülve – emigrált. 1922 márciusában érkezett meg Párizsba, ahol a Sorbonne hallgatója lett. Részt vett a baloldali emigráns mozgalmakban. Bekapcsolódott a francia és magyar avantgárd csoportok munkájába.
1926-ban tért haza Magyarországra.
1936 legvégén ismerte meg Kozmutza Flórát, akivel 1939-ben kötött haláláig tartó házasságot. Gyermekük Mária.
1923-ban kezdett rendszeresen publikálni (Ék, Ma, Magyar Írás). 1925-től az Illyés vezetéknevet használta, hogy családjának ne okozhasson kellemetlenséget baloldalisága. (1933-tól hivatalosan is ez a neve.)
1928-ban első verseskötetét is a Nyugat adta ki. Néhány év alatt nemzedékének egyik legelismertebb alkotójává vált. Négyszer kapott Baumgarten-díjat (1931, 1933, 1934, 1936).
1946 és 1949 között a Válasz szerkesztője. 1946 és 1948 között a Magyar Tudományos Akadémia tagja.
1948-ban az elsők között, majd 1953-ban és 1970-ben Kossuth-díjat kapott.
1956 októberének legnagyobb hatású irodalmi eseménye az Egy mondat a zsarnokságról megjelenése. A Kádár-kor kezdeti éveiben is visszavonultan élt, a hatalom ellenségesen kezelte, majd a hatvanas években fokozatosan enyhült a helyzet.
1961-től rendszeresen jelentek meg alkotásai, 1969-ben megindult életműsorozata, amelynek 1986- ig 22 kötete jelent meg.
1983. április 15-én hunyt el Budapesten, április 22-én helyezték örök nyugalomra a Farkasréti temetőben.