Narodil se jako Ignác Mácha (jméno Karel si přidal z důvodu obrozeneckého trendu a Hynek je počeštěný Ignác) v pátek 16. listopadu 1810 v Praze, na Újezdě čp. 400/3 v domě U Bílého orla; koncem 19. století byl dům zbourán, dnes na jeho místě stojí dům nový a je na něm umístěna pamětní deska, upozorňující na Máchův rodný dům. Pokřtěn byl v blízkém kostele Panny Marie Vítězné.

Máchovým otcem byl Antonín Mácha (1769–1843), mlynářský tovaryš, voják a později majitel krupařského krámku.

Máchova matka Marie Anna Kirchnerová (1781–1840) pocházela z rodu českých hudebníků.

Dva roky po Hynkovi se manželům Máchovým narodil syn Michal (1812–1871).

Kvůli finanční krizi nežila rodina na Újezdě dlouho. Několikrát se stěhovala, aby se nakonec, když bylo Máchovi šestnáct let, usadila na Dobytčím trhu (dnešní Karlovo náměstí) v domě U Hrbků. Zde Mácha bydlel se svými rodiči do konce svých studií a odchodu do Litoměřic v září 1836 (tady vznikla převážná část jeho literárních děl)

V prosinci 1831 vychází v časopise Večerní vyražení první Máchův text, báseň Svatý Ivan.

V lednu 1832 následuje v témže periodiku báseň Abaelard Heloíze, pod níž je poprvé podepsán Karel Hynek Mácha.

V jeho básnické tvorbě nacházíme sonety i lyrickoepické skladby. Básně se vyskytují i v jeho prózách (Marinka, Cikáni).

Rozhodl se napsat čtyřdílný román Kat, ale jeho části Vyšehrad, Valdek a Karlův tejn zůstaly pouze v náčrtcích. Jediná dokončená a časově nejpozdější část zamýšlené tetralogie z doby Václava IV. je Křivoklad

Cyklus Obrazy ze života mého se odehrává v jeho současnosti a kromě lyrizujících tendencí v něm nacházíme i autobiografické prvky, jako v celé Máchově tvorbě. Obě jeho práce byly uveřejněny v roce 1834 v Květech.

Jeho nejrozsáhlejší prací je román Cikáni. Pracoval na něm od října do prosince 1835. Román neprošel cenzurou a poprvé vyšel kompletně až v roce 1857.

Další prózy: Pouť krkonošskou, Návrat, Klášter sázavský, Valdice, Rozbroj světů či Sen.

Mácha si vedl literární zápisník, deníky a psal dopisy; právě tyto jsou důležitými zdroji o jeho životě. Kontroverzním je i jeho intimní deník z roku 1835, částečně psaný šifrovaně. Obsahuje detaily z jeho každodennosti a otevřeně přibližuje jeho vztah s Lori. Poprvé deník neúplně rozluštil Jakub Arbes roku 1884, zcela pak Karel Janský (1890–1959) ve 20. letech 20. století

Máj zaujímá ústřední místo jak v jeho tvorbě, tak v dějinách české literatury. Na této skladbě intenzivně pracoval na přelomu let 1835 a 1836, ale dochoval se náčrt básně již z roku 1834. Máj byl jedinou knihou, která mu vyšla za jeho života. Musel ji však vydat sám. Tisk provedla pražská tiskárna Jana Spurného. Máj byl vydán 23. dubna 1836. Všech 600 výtisků se brzy rozprodalo.

Mnohovrstevnatá báseň má 4 zpěvy a 2 intermezza. Básnický jazyk, plný metafor, oxymór a dalších prostředků, líčí tragický příběh, k němuž autora patrně inspirovala reálná událost z roku 1774. Tehdy v Rozprechticích u Dubé došlo k otcovraždě.

Tematické „zužování“ Máje na píseň lásky, oslavu přírody či líčení romantického příběhu je zavádějící, avšak ve zjednodušujících výkladech Máje nikoli řídké. Máj je inspirativním, meditativním dílem, které sice těží z motivů lásky, přírody, vlasti, ale jehož myšlenkové zázemí se dotýká otázek spíše metafyzických (především druhý zpěv skladby).

Navštěvoval divadelní představení česká i německá. Sám ochotnicky vystupoval ve Stavovském a Kajetánském divadle, kde v letech 1834 až 1835 vystoupil v 16 hrách (především Klicperových a Štěpánkových). Jako student univerzity musel vystupovat pod pseudonymy: Milihaj, Chám, Hynek. V tisku (Česká včela) byl Mácha nejvíce chválen (Chmelenským) za výkon v roli Jindřicha Prachatického v Klicperově Blaníku.
Sám se také pokoušel o dramatickou tvorbu. Svědčí o tom dochované zlomky historických dramat, vzniklých mezi lety 1831 a 1833. Jmenují se Bratři, Král Fridrich, Boleslav, Bratrovrah. Žádnou divadelní hru však nikdy nedokončil.

Mácha byl vášnivý cestovatel. Chodil většinou pěšky a vyhledával zejména romantická místa spojená s historií a krásy přírody. Ačkoli je často prezentován jako osamělý poutník krajinou, žádnou z větších cest nepodnikl sám.
První delší cestu vykonal Mácha v roce 1832; vedla z Prahy, přes Mělník, Kokořín, Housku, Doksy, na Bezděz. Doprovázel jej Eduard Hindl (1811–1891), spolužák a přítel. Máchova cesta z Mělníka na Bezděz je dnes červeně značenou trasou KČT.

Na přelomu srpna a září 1833 podnikl opět s Hindlem tzv. Krkonošskou pouť. Během ní navštívil mj. Valečov, Kost, Trosky, Radim u Jičína, Třebihošť. Máchův podpis se nachází v pamětní knize Sněžky (28. srpna 1833).

V pondělí 4. srpna 1834 vyrazil Mácha na cestu do severní Itálie. Jeho společníkem byl Antonín Strobach (1814–1856), pozdější pražský purkmistr, předseda říšského sněmu a právník. Cesta trvala 6 týdnů (někdy ušli denně až 60 kilometrů) a vedla z Prahy, přes České Budějovice, Linec, Salcburk, Innsbruck do Benátek. Odtud pluli do Terstu. V Lublani se Mácha setkal s významným slovinským básníkem Francem Prešerenem. Cesta pokračovala přes Vídeň do Prahy.

O svatodušních svátcích 1835 šel Mácha se svými přáteli na osmidenní výlet do boleslavského kraje. Při té příležitosti navštívili vlasteneckého kněze Antonína Marka, žijícího nedaleko Jičína.

Zvláštní půvab měly pro Máchu hrady a zříceniny. Psal si seznam „hradů spatřených“, který čítá na 90 položek.

Mácha byl obdařen i výtvarným talentem. Dochovalo se 115 kreseb a akvarelů „hradů spatřených“. Tyto Máchovy práce vznikaly přímo v plenéru (doma pak některé z nich koloroval); hrady kreslil většinou z dálky za použití dalekohledu. O Máchově fascinaci výtvarným uměním vypovídají poznámky z jeho návštěvy vídeňské obrazárny (cestou z Itálie).

Podoba Karla Hynka Máchy je neznámá. Za ni je považováno několik portrétů od různých autorů. Portrét od Františka Šíra je nejrozšířenější podobizna básníka. Ta, ale vznikla až roku 1860.

Máchův hrob zůstal deset let zanedbán. V dubnu 1846 byl postaven náhrobek z dílny Františka Linna z Řetězové ulice. V roce 1861 k němu přibyl pseudogotický kenotaf.

V roce 1912 byla odhalena dnes již kultovní Máchova socha Josefa Václava Myslbeka na pražském Petříně.Její kopie byla dne 21. listopadu 2010 také instalována v Litoměřicích na úpatí Mostné hory.

Když po Mnichovu hrozilo zabrání českého pohraničí, byly 1. října 1938 z iniciativy tehdejšího guvernéra Národní banky Československé Karla Engliše Máchovy tělesné ostatky exhumovány a převezeny do Prahy. Zde je antropologicky zkoumal a pietně konzervoval profesor Jiří Malý.
Druhý Máchův pohřeb 7. května 1939 na vyšehradském hřbitově se stal národní manifestací proti nacismu.

Po Máchově smrti se zformoval okruh jeho příznivců, kteří v jeho tvorbě rozpoznali jedinečnost. V Květech postupně vyšly básně Karla Sabiny Pomněnka na hrobě Karla Hynka Máchy (17. 11. 1836), Františka L. Riegra Na smrt Karla Hynka Máchy (1. 12. 1836) a Pláč nad smrtí Karla Hynka Máchy od Karola Kuzmányho (29. 12. 1836).

Pro Máchu nacházely větší pochopení oblasti Moravy a Slovenska a německé jazykové prostředí. Prvním německým překladem Máchovy tvorby byla Marinka, uveřejněná ve vídeňském časopise Adler již roku 1839. Prvním neněmeckým překladem byl překlad Máje do polštiny od Bronislawa Maleckého (1855).

Teprve roku 1861 vyšlo relativně úplné vydání Máchových spisů v nakladatelství Ignáce Leopolda Kobera (1812–1866). Tehdy také vyšel česky Máj podruhé.

Plně pochopen a oceněn byl Mácha až Nerudovou a Hálkovou generací, generací almanachu Máj z roku 1858. Májovci rozpoutali vlnu máchovského zájmu. Mácha nakonec dosáhl uznání i u kritiky a stal se básníkem, který je srovnatelný s kultem svatého Václava.