Nace en Suiza, de padre francés y madre rusa, el 26 de diciembre de 1904. Su primera infancia transcurre en el Cotorro, en las inmediaciones de La Habana. Realiza estudios en el Candler College y en el colegio Mimó, interrumpidos por un viaje a Francia en 1912; en París asiste al Liceo de Jeanson de Sailly. Estudia música con su madre. Inicia la carrera de arquitectura en la Universidad de La Habana (1921), pero pronto la abandona. En ese mismo año comienza a hacer periodismo en La Discusión y luego en Chic, El Heraldo de Cuba, Social, Hispania, Carteles. Escribe una historia de los zapatos para la Unión de Fabricantes de Calzado.

Participa en la famosa Protesta de los Trece (1923), liderada por Rubén Martínez Villena, y se integra al Grupo Minorista. Asiste a un congreso de escritores celebrado en México (1926), viaja por el país y entabla amistad con el pintor Diego Rivera. Está entre los fundadores de la Revista de Avance, en 1927. En ella publica su poema «Liturgia». Por esa época sufre prisión, acusado de «comunista». En la cárcel escribe la primera versión de su novela negrista ¡Ecue-Yamba-O! Colabora en Musicalia, Revista de La Habana, Aventura en Mal Tiempo (Santiago de Cuba). En 1928 escribe los argumentos de ballet La Rebambaramba y El milagro de Anaquillé, musicalizados por Amadeo Roldán. Conoce a Robert Desnos en un congreso de periodistas que se celebra en La Habana y, con el pasaporte y los papeles de identidad de este, abandona el país y marcha a Francia. Allí trabaja como jefe de redacción de la revista Musicalia –fundada por el compositor mexicano Manuel Ponce–, además de colaborar en Bifur, Documents, Revista de Oriente, Cahier du Sud. Conoce a André Breton, Louis Aragon, Tristan Tzara, Paul Éluard, Pablo Picasso. Breton lo invita a colaborar en La Revolution Surrealiste. En 1930 es nombrado jefe de redacción de Imán, revista publicada en castellano. Dirige los estudios «Fonoric», de París, dedicados a grabaciones musicales y programas de radio (1933-1939); allí colabora con Robert Desnos, Antonin Artaud, Jean Louis Barrault en la elaboración de programas radiales. Viaja a Madrid, en donde publica ¡Ecue-Yamba-O! (1933) y hace amistad con Federico García Lorca, Rafael Alberti, Pedro Salinas. Participa, como representante de Cuba, en el II Congreso por la Defensa de la Cultura, celebrado en Madrid y Valencia en 1937, en compañía de Nicolás Guillén, Juan Marinello y Félix Pita Rodríguez. Regresa a Cuba dos años después. Aquí trabaja en la radiodifusora del Ministerio de Educación. Imparte clases de historia de la música en el Conservatorio Nacional (1941). Colabora en Revista Cubana, Conservatorio, La Gaceta del Caribe, Orígenes, Nuestro Tiempo. Visita Haití en 1943, su novela El reino de este mundo (1949) –donde propone el concepto de lo real maravilloso– se ubica en este país. En 1945 se instala en Venezuela, en donde realiza trabajos relacionados con la publicidad y la radio y colabora en El Nacional de Caracas (1946-1958). Publica en 1946 su gran ensayo etnomusicológico La música en Cuba. Recorre la Gran Sabana Venezolana, el Alto Orinoco y el territorio amazónico entre 1947 y 1948, este sería el contexto de su novela Los pasos perdidos (1953). Con el triunfo de la Revolución cubana, en 1959, regresa a Cuba. Aquí es nombrado vicepresidente del Consejo Nacional de Cultura. Imparte clases de historia de la cultura en la Escuela de Historia de la Universidad de La Habana. Al crearse la UNEAC figura entre sus vicepresidentes, además de ser uno de los responsables de la revista Unión, junto con Nicolás Guillén y Roberto Fernández Retamar. Ocupa la dirección de la Editorial Nacional de Cuba entre 1963 y 1968, en este último año es designado ministro consejero para asuntos culturales en la Embajada de Cuba en París. Fue diputado a la Asamblea Nacional del Poder Popular. Sus novelas han sido traducidas a distintas lenguas, y algunas de ellas han visto numerosas ediciones. Recibió el Premio Internacional Alfonso Reyes (1975) y el Premio Cervantes de Literatura (1977). Carpentier muere en París, el 24 de abril de 1980.