Szegeden látta meg a napvilágot Bauer Herbert néven. Édesapja, Bauer Simon gimnáziumi tanár, az Akadémia levelező tagja korán meghalt, édesanyja tanítónő volt. A középiskolát szülővárosában végezte, és már kamaszként írt, első zsengéje a Szegedi Naplóban jelent meg.
1902-től a budapesti Pázmány Péter Tudományegyetem magyar–német szakos hallgatójaként az Eötvös Kollégium tagja lett. 1904-től részt vett a Thália Társaság munkájában, barátságot kötött Lukács György filozófussal, 1905-ben Kodály Zoltánt, 1906-ban Bartók Bélát kísérte el népdalgyűjtő útján. Tanulmányai befejezése után, 1906-ban ösztöndíjasként egy évet Berlinben töltött, ahol az egyetemen Georg Simmel és Wilhelm Dilthey filozófiai előadásait hallgatta. Ekkor írta meg első könyvét, a Halálesztétikát (1908), amelyről Babits Mihály írt dicsérő kritikát a Nyugatban.
Hazatérése után bölcsészdoktori oklevelet szerzett, majd tanított. Költői pályája A Holnap antológiában közreadott költeményeivel indult, 1908 és 1919 között rendszeresen publikált a Nyugatban verseket, meséket, novellákat, színdarabokat. Nevét igazán korai esztétikai munkássága és szecessziós mesejátékai tették ismertté. Bartók Béla ösztönzésére írta meg A fából faragott királyfi és A kékszakállú herceg vára című misztériumjátékait, amelyek Bartók zeneműveinek alapjául szolgáltak. Első színpadi művét 1909-ben mutatták be Doktor Szélpál Margit címmel.
Balázs Béla 1911–12-ben hosszabb időt töltött külföldön, Olaszországban, Párizsban, Berlinben, és megjelent első verseskötete A vándor énekel címmel. Az első világháború kitörése után, 1914 szeptemberében önkéntesként jelentkezett frontszolgálatra, egy év múlva sebesülése miatt leszerelték. Hadiélményeit az 1916-ban megjelent Lélek a háborúban című könyvében írta meg, ebben az évben jelent meg második verseskötete, a Tristán hajóján is. 1917-től a Szellemi Tudományok Szabad Iskolájában tartott előadásokat.
A vesztes háború végén, az Osztrák–Magyar Monarchia összeomlása idején csatlakozott az 1918 októberi őszirózsás forradalomhoz. A Tanácsköztársaság idején tagja volt az Írói Direktóriumnak, a kultusznépbiztosságban az irodalmi és művészeti ügyosztályt vezette, egy ideig harcolt a Vörös Hadseregben, részt vett az északi hadjáratban is. A kommün bukása után feleségével Bécsbe menekült, ahol több német és magyar nyelvű lap munkatársa volt, kötetei jelentek meg németül és magyarul, napi- és hetilapokban színházi és filmkritikákat publikált.
1924-ben adta ki filmesztétikai főművét, a Látható embert, majd 1930-ban, a hangosfilm megjelenése után A film szellemét. 1927-től 1930-ig Berlinben élt, neves filmrendezőkkel – Erwin Piscator és Georg Wilhelm Pabst – dolgozott együtt, Leni Riefenstahlba bele is szeretett. Riefenstahl az ő forgatókönyve alapján készítette el első filmjét 1932-ben A kék fény címmel, ennek néhány jelenetét, amelyben a rendezőnő szerepelt, Balázs rendezte.
1931-ben belépett a Német Kommunista Pártba, és ugyanebben az évben a szovjet írók meghívták Moszkvába, hogy írjon és rendezzen filmet a Tanácsköztársaságról. Balázs a Szovjetunióban maradt, tanított a Filmművészeti Főiskolán, 1938-tól egy moszkvai magyar nyelvű folyóirat, az Új Hang főmunkatársa volt.
A második világháború után, 1945 nyarán tért haza Budapestre. Folytatta filmszervezői, tanári és szerkesztői tevékenységét. Tanított a Színházművészeti Főiskolán, a Filmtudományi Intézet vezetője, 1945–46-ban a Fényszóró című kulturális lap főszerkesztője volt, vendégtanárként Prágában és Rómában is dolgozott. Világsikert aratott a forgatókönyvéből készült Valahol Európában című film Radványi Géza rendezésében, ő volt az Ének a búzamezőkről, valamint a Talpalatnyi föld című filmek művészi tanácsadója, Kodály Zoltánnal együtt a Cinka Panna balladája című daljáték alkotója.
A „fordulat éve", 1948 után a kommunista kultúrpolitikában addig vezető szerepet játszó Lukács György félreállításával párhuzamosan őt is éles bírálatok érték állítólagos avantgárd szemlélete miatt. Nem taníthatott a Színművészeti Főiskolán, műveit nem jelentették meg, de 1949-ben megkapta a Kossuth-díjat. Nem sokkal később agyvérzés érte, és május 17-én meghalt. Sírja a Fiumei úti sírkert Munkásmozgalmi Panteonjában van.
Balázs Béla életműve – különösen filmesztétikai munkássága – csak évtizedekkel halála után került méltó helyére. 1958-ban jött létre a nevét viselő Balázs Béla Stúdió, a kísérleti film és a fiatal magyar filmesek fontos műhelye. Nevét viseli a legrangosabb mozgóképes alkotóknak adható állami kitüntetés: a Balázs Béla-díjat 1960 óta évente adományozzák jeles magyar film- és televíziórendezőknek, operatőröknek és fotóművészeknek.
