Булат Окуджава родился в Москве 9 мая 1924 года в семье коммунистов, приехавших из Тифлиса для партийной учебы в Коммунистической академии. Отец — Шалва Степанович Окуджава, грузин, известный партийный деятель, мать — Ашхен Степановна Налбандян, армянка, родственница известного армянского поэта Ваана Терьяна.
Вскоре после рождения Булата его отец был отправлен на Кавказ работать комиссаром грузинской дивизии. Мать осталась в Москве, работала в партийном аппарате. На учебу Булат был отправлен в Тбилиси, учился в русском классе. Отец был повышен до секретаря Тбилисского горкома; из-за конфликта с Лаврентием Берией он обратился с письмом к Серго Орджоникидзе с просьбой направить его на партийную работу в Россию, и был отправлен на Урал парторгом на строительство вагоностроительного завода в городе Нижний Тагил. Затем Шалва Степанович стал 1-м секретарем Нижнетагильского горкома партии и вскоре выписал семью к себе на Урал. Булат начал учиться в школе № 32.
Первое место жительства — ул. Арбат, д. 43, коммунальная квартира на 4-м этаже.
В 1937 году родители Булата были арестованы, отец был расстрелян по ложному обвинению 4 августа 1937 года, а мать сослана в Карагандинский лагерь, откуда она вернулась лишь в 1955 году. После ареста родителей Булат с бабушкой вернулся в Москву. Он редко говорил и писал про своих предков и о своей судьбе, лишь к концу жизни он написал автобиографический роман «Упраздненный театр», где рассказывает о невзгодах своей семьи.
Примечательно одно из стихотворений Б. Окуджавы, посвященное матери:
Настоящих людей так немного, Все вы врете, что век их настал. Посчитайте и честно и строго, Сколько будет на каждый квартал. Настоящих людей очень мало. На планету — совсем ерунда. А на Россию одна моя мама. Только что она может одна?
В 1940 году Булат Окуджава переехал к родственникам в Тбилиси. Учился, потом работал на заводе учеником токаря.
В апреле 1942 года, в возрасте 17 лет, Окуджава пошел на фронт добровольцем. Был направлен в 10-й Отдельный запасной минометный дивизион. Затем, после двух месяцев обучения, был отправлен на Северо-Кавказский фронт. Был минометчиком, потом радистом тяжелой артиллерии. Был ранен под Моздоком.
К этому времени относится его первая песня «Нам в холодных теплушках не спалось» (1943), текст которой не сохранился.
Вторая песня была написана в 1946 году — «Старинная студенческая песня» («Неистов и упрям…»).
После войны Окуджава поступил в Тбилисский государственный университет. Получив диплом, в 1950 году начал работать учителем — сначала в сельской школе в селе Шамордино Калужской области и в районном центре Высокиничи.
В 1954 году, после встречи писателя Владимира Кобликова и поэта Николая Панченко с читателями в Высокиничском районе, Булат подошел к ним и предложил послушать его стихи. Получив одобрение и поддержку, он перебрался в Калугу, где стал сотрудничать с газетой «Молодой ленинец» и в 1956 году выпустил свой первый сборник «Лирика».
В 1956 году после реабилитации родителей и XX съезда вступил в КПСС.
В 1959 году Окуджава вернулся в Москву. В том же году начал выступать как автор песен (стихов и музыки) и исполнять их под гитару, быстро завоевывая популярность. К этому периоду (1956-1967) относится сочинение многих наиболее известных ранних песен Окуджавы («На Тверском бульваре», «Песенка о Леньке Королеве», «Песенка о голубом шарике», «Сентиментальный марш», «Песенка о полночном троллейбусе», «Не бродяги, не пропойцы» , «Московский муравей», «Песенка о комсомольской богине» и др.).
Работал редактором в издательстве «Молодая гвардия», затем — заведующим отделом поэзии в «Литературной газете». Участвовал в работе литературного объединения «Магистраль».
В 1961 году ушел со службы и больше по найму не работал, занимаясь исключительно творческой деятельностью.
В 1961 год в Харькове состоялся первый на территории СССР официальный вечер авторской песни Булата Окуджавы. Вечер был организован литературоведом Л. Я. Лившицем, с которым Б. Окуджаву связывали дружеские отношения.
В 1962 году Окуджава стал членом Союза писателей СССР. В том же году Окуджава впервые появился на экране в фильме «Цепная реакция», в котором исполнил песню «Полночный троллейбус» .
В 1970 году на экраны вышел фильм «Белорусский вокзал», в котором исполнялась песня Булата Окуджавы «А нам нужна одна победа». Окуджава — автор и других популярных песен для таких кинофильмов, как «Соломенная шляпка», «Женя, Женечка и «катюша»» (в нем Окуджава в эпизодической роли поет под гитару в солдатской форме) и др. В общей сложности песни Окуджавы и на его стихи звучат в более чем 80-ти фильмах.
Первый диск с песнями Окуджавы вышел в Париже в 1968 году. В том же году в Польше вышел диск с песнями Окуджавы в исполнении польских артистов, и одна песня — «Прощание с Польшей» — в нем была в исполнении автора. С середины 70-х годов диски Окуджавы выходили и в СССР.
Песни Булата Окуджавы, распространяясь в магнитофонных записях, быстро завоевывали популярность, в первую очередь среди интеллигенции: сначала в СССР, затем и среди русскоговорящих за рубежом. Песни «Возьмемся за руки, друзья…», «Пока Земля еще вертится…» («Молитва Франсуа Вийона») стали гимном многих слетов КСП и фестивалей. Помимо песен на собственные стихи, Окуджава написал ряд песен на стихи польской поэтессы Агнешки Осецкой, которые сам перевел на русский.
Весьма плодотворным оказался творческий союз Булата Окуджавы с композитором Исааком Шварцем. Вместе они создали 32 песни, наиболее известные из которых — песня «Ваше благородие, госпожа Удача» («Белое солнце пустыни»), песенка кавалергарда из кинофильма «Звезда пленительного счастья», романс «Любовь и разлука» («Нас венчали не в церкви»), а также песни из кинофильма «Соломенная шляпка».
В 1961 году Окуджава дебютировал как прозаик: в альманахе «Тарусские страницы» была опубликована его автобиографическая повесть «Будь здоров, школяр» (отдельным изданием вышла в 1987).
Опубликованы повести: «Бедный Авросимов» («Глоток свободы») (1969) о трагических страницах в истории декабристского движения, «Похождения Шипова, или Старинный водевиль» (1971) и написанные на историческом материале начала XIX века романы «Путешествие дилетантов» (часть 1. — 1976; часть 2. — 1978) и «Свидание с Бонапартом» (1983).
С началом перестройки Булат Окуджава стал принимать активное участие в политической жизни страны, заняв активную демократическую позицию.
С 1989 года — член-учредитель русского ПЕН-центра.
В 1990 году вышел из КПСС.
С 1992 года — член комиссии по помилованиям при Президенте РФ; с 1994 года — член комиссии по Государственным премиям РФ.
Был членом учредительного совета газеты «Московские новости», членом учредительного совета «Общей газеты», членом редколлегии газеты «Вечерний клуб», членом Совета общества «Мемориал».
В 1993 году подписал «Письмо 42-х».
В 1990-е годы Окуджава в основном жил на даче в Переделкине. В эти годы Окуджава выступал с концертами в Москве и Санкт-Петербурге, в США, Канаде, Германии и Израиле.
23 июня 1995 года состоялся последний концерт Булата Окуджавы в Штаб-квартире ЮНЕСКО в Париже.
12 июня 1997 года Булат Окуджава скончался в Париже (в пригороде Кламар), в военном госпитале.
Перед самой смертью Булат Окуджава был крещен с именем Иоанн в память о святом мученике Иоанне Воине. Это произошло в Париже по благословению одного из старцев Псково-Печорского монастыря.
Похоронен на московском Ваганьковском кладбище.