Zalaegerszegen jött világra, jogász, latinos műveltségű értelmiségi édesapja, a város egykori polgármestere korán meghalt. A fiú a zalaegerszegi főgimnáziumban tanult, ahol többek között Mindszenty József, a későbbi bíboros is tanította, végül Budapesten, az Érseki Katolikus Főgimnáziumban érettségizett 1922-ben. Eötvös-kollégistaként a Pázmány Péter Tudományegyetem magyar–német szakos hallgatója lett, 1927-ben szerzett tanári, 1928-ban bölcsészdoktori oklevelet.
1929-től 1936-ig a berlini Humboldt Egyetem Magyar Intézetének könyvtárosaként és az egyetem magyar lektoraként dolgozott, akkor ismerkedett meg Seiber Mária zongoraművésznővel, akit 1932-ben feleségül vett. A náci diktatúra egyre fojtogatóbb politikai és szellemi légkörét megtapasztalva feleségével együtt elhagyta Németországot, és 1936 nyarán hazaköltözött. Itthon magyar irodalom tanári állást kapott az Eötvös Kollégiumban, amelyet 1950-ig töltött be. 1937 és 1944 között a Pester Lloyd című német nyelvű budapesti lap kulturális rovatát vezette, a liberális szellemű újságban a második háború alatt a humánus értékek szellemében számos elhallgattatott, üldözött vagy emigráns német szerző kaphatott nyilvánosságot. Keresztury személyesen is mindent megtett e nehéz időkben, hogy embereket mentsen.
1944–1949 között a Nemzeti Parasztpárt (NPP) vezetőségi tagja volt. 1945-ben az Eötvös Kollégium igazgatójává nevezték ki, ugyanebben az évben a Pázmány Péter Tudományegyetemen a magyar nemzeti klasszicizmus magántanára, valamint az írószövetség alapító tagja lett. Az 1945. november 4-i parlamenti választások nyomán a Nemzeti Parasztpárt delegáltjaként vallás- és közoktatási miniszter lett a koalícióban, kinevezését Illyés Gyula ösztönözte és Mindszenty hercegprímás támogatta. A tárca vezetését szakminiszterként, nem pártpolitikusként vállalta, s hivatalában a magyarság jövője érdekében az egész művelődéspolitika reformjára törekedett. Egyszerre tudott európai és magyar, forradalmár és reformer, modern és konzervatív lenni. Kultúrpolitikai eszményei a műveltség, igazság, emberség voltak. Megterveztette az új általános iskolai rendszert, s előkészítette a középiskolai és felsőoktatási reformot. Az egyházakkal és vallásos szervezetekkel jó viszonyra törekedett, tiszteletben tartotta hagyományaikat és érdekeiket.
Művelődés- és egyházpolitikája kiváltotta a két munkáspárt nemtetszését. 1946 végén lemondott, de 1947 márciusáig hivatalában maradt. 1948-ban, a teljes kommunista hatalomátvételkor lemondatták az Eötvös Kollégium éléről, majd feloszlatták az intézményt. 1948-tól a Magyar Tudományos Akadémia (MTA) főkönyvtárosa, majd 1950-től az Országos Széchényi Könyvtár (OSZK) osztályvezetője volt. 1971-ben nyugdíjazták.
A Rákosi-rendszer idején kiszorult az irodalmi életből, csak 1956-tól jutott szerephez. Az irodalom legtöbb műfajában alkotott: versei tudatosan kapcsolódnak a magyar klasszikus költészet vonulatához, irodalomtörténészként Horváth János tanítványa volt. Szépíróként és kritikusként a Nyugat második nemzedékéhez tartozott.
Ötven esztendőt töltött Arany János kutatásával. Nevéhez fűződik Arany János, Batsányi János, Madách Imre műveinek kiadása, Madách Mózesének színrevitele a Nemzeti Színházban. Szerepe volt a magyar–német szellemi kapcsolatok fenntartásában. Fotóművészekkel több tematikus kötetet is kiadott (például a Balatonról, Bartók színpadi műveiről).
Amikor kilencvenedik születésnapján az életéről faggatták, a becsület megőrzését mondta a legfontosabbnak. Egy alkalommal volt tanítványai körében ezt mondta: „Engem ne tiszteljetek – szeressetek.”
Munkásságáért számos rangos elismerést kapott, az MTA tagjai sorába választotta, valamint többek közt 1968-ban József Attila-, 1976-ban Herder-díjjal tüntették ki. 1978-ban több évtizedes kulturális, tudományos munkásságáért, a magyar kultúra külföldi népszerűsítéséért Állami Díjjal, 1996-ban életműve elismeréseként Széchenyi-díjjal jutalmazták. 2004-ben írói és művelődéspolitikai tevékenységéért (posztumusz) Magyar Örökség díjban részesült.
Keresztury Dezső Budapesten hunyt el 1996. április 30-án, a Farkasréti temetőben helyezték örök nyugalomra.
Szülővárosa, Zalaegerszeg ma is aktívan ápolja emlékét. Még Keresztury életében, 1992-ben alakult meg a nevét viselő kuratórium, amely a költő tárgyi és szellemi értékeinek megőrzését tűzte ki feladatául. Halála után a kuratórium emlékbizottsággá alakult, és a feladatkör a hagyatékgondozással, ismeretterjesztéssel bővült. A Városi Művelődési Központ felvette Keresztury nevét, emellett a városban felavatták szobrát, szülőházát pedig dombormű díszíti. Emlékére tízévente tudományos üléseket szerveznek, 2018-ban pedig Keresztury-emlékérmet is alapítottak irodalomtudósok számára. 2024 tavaszán, születésének 120. évfordulója alkalmából a nevét viselő emlékbizottság, valamint a Deák Ferenc Megyei és Városi Könyvtár emlékévet hirdetett.
2023-ban az Országos Széchényi Könyvtár az író 39 művét tette szabadon hozzáférhetővé a Magyar Elektronikus Könyvtárban.
