Nació el 16 de enero de 1897 en San Juan Bautista, (hoy Villahermosa), Tabasco. A los 12 años, junto con su madre se mudó a Campeche, ya que su padre  se enlistó en el ejército constitucionalista. Desde muy pequeño se vio en la necesidad de trabajar para apoyar en los gastos, se dedicó a la venta de dulces elaborados por su madre, sus biógrafos aseguran que fue la época en que comenzó a escribir sus primeros sonetos.

Estudió en la Escuela Nacional Preparatoria de México y, posteriormente realizó estudios en Bogotá, Colombia en donde fue enviado por el gobierno del entonces presidente Venustiano Carranza.

En la Escuela Nacional Preparatoria conoció a los intelectuales de la época y fue nombrado agregado estudiantil para representar a México en Colombia y Venezuela, la cual desempeñó con gran éxito pero tristemente sorprendido por la dictadura venezolana. 

A su regreso presentó un reporte de sus actividades ante la Federación de Estudiantes con un discurso en contra del dictador venezolano y sorprendió mucho a José Vasconcelos que en ese entonces fungía como rector de la Universidad Nacional, y le dio trabajo en la Universidad, primero como escribiente y después como oficial. Al mismo tiempo trabajó como profesor de lengua castellana en la Escuela Nacional Preparatoria. 

Poco tiempo después, Vasconcelos es nombrado Secretario de Educación Pública y le da un puesto a Carlos Pellicer.

En 1921, junto con Vicente Lombardo Toledano, Diego Rivera, José Clemente Orozco y Xavier Guerrero entre otros, fundó el Grupo Solidario del Movimiento Obrero. Este grupo de intelectuales, con una visión artística multidisciplinaria, fundó las revistas culturales más importantes de la época: Ulises y Contemporáneos. 

Obtuvo una beca para estudiar museografía en la Sorbona de París y cuando regresó a México se unió a la campaña presidencial de José Vasconcelos.

En 1931, impartió las materias de Historia de México, Historia Universal y Literatura Castellana en la Escuela Secundaría 4 y poesía moderna en la Universidad Nacional Autónoma de México. Además, fue director del Departamento de Bellas Artes. También, se dedicó a la museografía y organizó varios museos como: La Venta, en Villahermosa, Tabasco; el Museo Arqueológico de Hermosillo, Sonora, así como el Anahuacalli y Frida Kahlo en la Ciudad de México.

Además, modernizó el teatro mexicano y aportó muchas de las innovaciones al arte y la cultura de la sociedad mexicana de la primera mitad del siglo XX. Asimismo, fue colaborador en las revistas Falange, Ulises y Contemporáneos.  

En mayo de 1952 fue nombrado miembro correspondiente de la Academia Mexicana de la Lengua y en 1964 obtuvo el Premio Nacional de Literatura y Lingüística.

En 1965 se inauguró el Museo Carlos Pellicer y en 1976 fue elegido senador de la República por el Partido Revolucionario Institucional (PRI).

 Entre su bibliografía destacan: 

Colores en el mar y otros poemas (1921)

Piedra de sacrificios (1924)

Hora y 20 (1927)

Camino (1929)

Cinco Poemas (1931)

Esquemas para una oda tropical (1933)

Estrofas al mar marino (1934)

Hora de junio (1929-1936) (1937)

Ara virginum (1940)

Recinto y otras imágenes (1941)

Discurso por las flores (1946)

Subordinaciones (1949)

Sonetos (1950)

Práctica de vuelo (1956)

El trato con escritores (1961)

Material poético 1918-1961 (1962)

Teotihuacán, y 13 de Agosto: Ruina de Tenochtitlán (1965)

Bolívar, ensayo de biografía popular (1966)

Noticias sobre Nezahualcóyotl y algunos sentimientos (1967)

Cuerdas, percusión y alientos (1976)

Cartas desde Italia (1985)

Cuaderno de viaje (1987)

Carlos Pellicer falleció en la Ciudad de México el 16 de febrero de 1977. En 1978 se estableció el Premio Iberoamericano Bellas Artes de Poesía Carlos Pellicer.