נולד בראדי, אוקראינה, ב-י' טבת תרל"ג, בגיל שש עבר עם משפחתו לז'יטומיר. ב-1880 מת אביו, ואמו שלחה אותו לגור בבית סבו. הוא למד ב"חדר" כמו כל בני דורו, ובגיל חמש עשרה התחיל ללמוד בישיבת "וולוז'ין", בה רצה ללמוד במקביל ללימודי תלמוד, גם מדעי הרוח. רצונו להרחיב השכלתו מעבר להשכלה הדתית גבר, ובקיץ 1891 הוא עזב את הישיבה ועבר לאודסה, תוך מחשבה ששם יוכל לחוות ולבנות חיים עשירים ורחבים יותר.
באודסה למד ספרות רוסית ודקדוק גרמני. לימד עברית, תקופה מסויימת, כדי שיוכל לממן את מחייתו בעיר, הרחיב את ידיעתו בתחומי הרוח ובחיי החברה שלו, ונפגש בין היתר גם עם אחד-העם, שהשפיע על סגנונו.
ב-1892 נסגרה ישיבת "וולוז'ין" וביאליק חזר מאודסה לבית סבו, כדי שזה לא ידע שחיים הפסיק את לימודיו הדתיים. ב-1893 לאחר מות סבו ואחיו, הוא נשא לאשה את מניה אוורבוך. במשך מספר שנים עבד עם אביה במסחר עצים וב-1897 החל ללמד בסוסנוביץ. באותן שנים כתב שירים בעברית וביידיש והחל בכתיבת סיפורים, הראשון שבהם הוא "אריה בעל גוף".
ב-1900 מצא ביאליק משרת הוראה באודסה, ושנה לאחר מכן ייסד יחד עם רבניצקי, ש.בן-ציון ואלחנן לוינסקי, את הוצאת "מוריה" שמטרתה הוצאת ספרי לימוד בעברית. באותן שנים גם יצא קובץ השירים הראשון שלו.
ב-1904 עבר ללוורשה, בה היה עורך ספרותי של "השילוח", כעבור כשנה חזר לאודסה, בה נשאר עד 1921 - אז ניתנה לו רשות לעזוב את ברית המועצות. הוא עבר לברלין, שם עסק בהוצאת ספרים בעברית. כעבור שלוש שנים, ב-1924, עלה ביאליק לארץ והתגורר בתל-אביב. ב-1937, כמה שנים לאחר מותו, החליטה מניה לתרום את הבית לעריית תל-אביב. כיום משמש "בית ביאליק" מוזיאון, ו"אגודת הסופרים העבריים" (שאותה הקים ביאליק) ערכה בו כינוסים תרבותיים.
ב-1924 צויין יום הולדתו בטקסים ואירועים חגיגיים. לכבוד יום ההולדת הודפסה מהדורה מחודשת של כתביו, והספר "שירים ופזמונות לילדים" שאייר נחום גוטמן.
ביאליק תרם רבות להפיכתה של תל-אביב לעיר שבה נמצא המרכז התרבותי של היישוב. קבע את מסורת "עונג שבת" ב"אהל שם", (תיאטרון שהוקם ב1933 לכבוד יום הולדתו השישים של ביאליק).
חיים נחמן ביאליק נפטר בוינה בכ"א תמוז תרצ"ד, לאחר שניתוח שעבר נכשל. הוא נקבר בבית הקברות טרומפלדור שבתל-אביב.
לאחר מותו נקרא הרחוב בו התגורר, על שמו. עריית תל-אביב מעניקה בכל שנה את "פרס ביאליק" לספרות יפה ומחשבת ישראל. כשנה לאחר מותו קם "מוסד ביאליק" לטיפוח הספרות והמחקר העבריים. על שמו קרויות קריית ביאליק וכפר ביאליק ומספר רחובות בערים שונות בארץ.
כותב מסות, שירים, סיפורים ומחזות, מתרגם ועורך שהשפיע רבות על אנשי רוח ועל התרבות היהודית. לקח חלק בפעילויות ציבוריות ונסע לארצות אחרות כשליח של הציונות והשפה העברית.
בין כתביו ניתן למצוא:
"ספר האגדה" (אגדות חז"ל) אותו חיבר יחד עם יהושע חנא רבניצקי.
"שירים ופזמונות לילדים"
מחזה לילדים בשם "אלוף בצלות ואלוף שום" שהוצג בתיאטרון "הקאמרי".
"דון קישוט איש למנשא", "וילהלם טל", "הדיבוק"
"מאחורי הגדר", "יום ישי הקצר", "ספיח", "החצוצרה נתבישה"
"הלכה ואגדה", "משנה לעם", "גילוי וכיסוי בלשון"
ב-1938 יצא בהוצאת "דביר" "כל כתבי חיים נחמן ביאליק" ושנה קודם יצא גם "אגרות חיים נחמן ביאליק".
ב-1960 יצאה בהוצאת "קריית ספר" קונקורדנציה לשירת ביאליק שערכו אבן שושן ו-י. סגל.
עוד על ביאליק מתוך כתב העת המקוון "מנ-עד":
ביאליק ויחסו להלכה
1. 
