Γεννήθηκε στην Πάτρα στις 13 Ιανουαρίου 1859 από γονείς που κατάγονταν από το Μεσολόγγι. Η οικογένεια του πατέρα του ήταν οικογένεια λογίων, με αξιόλογη πνευματική δραστηριότητα.Όταν ο ποιητής ήταν 6 χρονών έχασε και τους δύο γονείς του σε διάστημα σαράντα ημερών (Δεκέμβριος 1864-Φεβρουάριος 1865). Στενοί συγγενείς ανέλαβαν τότε τα τρία παιδιά της οικογένειας.
Μετά την αποφοίτησή του από το γυμνάσιο, εγκαταστάθηκε στην Αθήνα το 1875, όπου γράφτηκε στην Νομική Σχολή. Σύντομα όμως εγκατέλειψε τις σπουδές του αποφασισμένος να ασχοληθεί με τη λογοτεχνία. Το πρώτο του ποίημα το είχε γράψει σε ηλικία 9 ετών, μιμούμενος τα πρότυπα της εποχής του.
Το 1886 δημοσιεύτηκε η πρώτη του ποιητική συλλογή Τραγούδια της Πατρίδος μου στη δημοτική γλώσσα, η οποία εναρμονίζεται απόλυτα με το κλίμα της Νέας Αθηναϊκής Σχολής. Το 1887 παντρεύτηκε την συμπατριώτισσά του Μαρία Βάλβη, με την οποία απέκτησαν τρία παιδιά, μεταξύ των οποίων και ο Λέανδρος Παλαμάς. το 1889 δημοσιεύτηκε ο Ύμνος εις την Αθηνάν, αφιερωμένος στη γυναίκα του, για τον οποίο βραβεύτηκε στον Φιλαδέλφειο ποιητικό διαγωνισμό την ίδια χρονιά. Ένδειξη της καθιέρωσής του ως ποιητή ήταν η ανάθεση της σύνθεσης του Ύμνου των Ολυμπιακών Αγώνων, το 1896. Το 1898, μετά τον θάνατο του γιού του Άλκη σε ηλικία τεσσάρων ετών, δημοσίευσε την ποιητική σύνθεση "Ο Τάφος". Το 1897 διορίστηκε γραμματέας στο Πανεπιστήμιο Αθηνών, απ' όπου αποχώρησε το 1928. Από την ίδια χρονιά (1897) άρχισε να δημοσιεύει τις σημαντικότερες ποιητικές του συλλογές και συνθέσεις, όπως οι "Ίαμβοι και Ανάπαιστοι" (1897), "Ασάλευτη Ζωή" (1904), "ο Δωδεκάλογος του Γύφτου" (1907), "Η Φλογέρα του Βασιλιά" (1910). Το 1918 του απονεμήθηκε το Εθνικό Αριστείο Γραμμάτων και Τεχνών, ενώ από το 1926 αποτέλεσε βασικό μέλος της Ακαδημίας των Αθηνών, της οποίας έγινε πρόεδρος το 1930.
Πέθανε στις 27 Φεβρουαρίου του 1943 έπειτα από σοβαρή ασθένεια 40 ημέρες μετά τον θάνατο της συζύγου του (τον οποίο δεν είχε πληροφορηθεί επειδή και η δική του υγεία ήταν σε κρίσιμη κατάσταση). Η κηδεία του έμεινε ιστορική καθώς μπροστά σε έκπληκτους Γερμανούς κατακτητές χιλιάδες κόσμου τον συνόδευσε στην τελευταία του κατοικία, στο Α΄ νεκροταφείο Αθηνών, ψάλλοντας τον εθνικό ύμνο.
Η οικία του Παλαμά στην Πάτρα σώζεται ως σήμερα, στην οδό Κορίνθου. Οπότε εκείνος έφυγε από την Πάτρα, το σπίτι ενοικίασε η οικογένεια Σεράο από την Ιταλία και εκεί γεννήθηκε η μεγάλη Ιταλίδα πεζογράφος Ματθίλδη Σεράο. Σήμερα στεγάζεται εκεί το Ίδρυμα Κωστή Παλαμά.
