1918年4月5日（农历二月二十四日）生于天津。与作家金庸（查良镛）为同族的叔伯兄弟，皆属“良”字辈，有亲属关系。
1929年入南开中学读书，从此对文学产生浓厚兴趣，开始写诗。当时日寇侵凌，京津首当其冲，穆旦写下了《哀国难》，“洒着一腔热血”大声疾呼：眼看祖先们的血汗化成了轻烟，/铁鸟击碎了故去英雄们的笑脸！/眼看四千年的光辉一旦塌沉，/铁蹄更翻起了敌人的凶焰！”
1934年查良铮将“查”姓上下拆分，“木”与“穆”谐音，得“穆旦”(最初写作“慕旦”)之名。
1935年考入清华大学地质系，半年后改读外文系，抗日战争爆发后，随学校辗转于长沙、昆明等地，并在香港《大公报》副刊和昆明《文聚》上发表大量诗作，成为有名的青年诗人。
穆旦在这里继续探索和写作现代诗歌，并在《清华学刊》上发表。他写雪莱式的浪漫派的诗，有着强烈的抒情气质，又有很强的现实感。
1937年七七事变后，10月随大学南迁长沙国立长沙临时大学，后又徒步远行至昆明西南联合大学。同年在香港《大公报》副刊和昆明《文聚》上连续发表《合唱》《防空洞里的抒情诗》《从空虚到充实》《赞美》《诗八首》等具有代表性的作品。
1939年开始系统接触西方现代派诗歌、文论，创作发生转变，并走向成熟。
1940年毕业于西南联大外文系，留校担任助教，负责叙永分校新生的接收及教学工作。
1942年2月投笔从戎，24岁的穆旦响应国民政府“青年知识分子入伍”的号召，以助教的身份报名参加中国入缅远征军，在副总司令杜聿明兼任军长的第5军司令部，以中校翻译官的身份随军进入缅甸抗日战场。同年5月至9月，亲历滇缅大撤退，经历了震惊中外的野人山战役，于遮天蔽日的热带雨林穿山越岭，扶病前行，踏着堆堆白骨侥幸逃出野人山。
1943年回国后经历了几年不安定的生活。1945年创办沈阳《新报》，任主编。
1945年9月，根据入缅作战的经历，创作了中国现代主义诗歌史上著名诗篇——《森林之魅——祭胡康河上的白骨》，另有相关创作《阻滞的路》、《活下去》。
1947年参加后来被称为“九叶诗派”的创作活动。
1948年在FAO（联合国世界粮农组织救济署）和美国新闻处工作。
1949年8月自费赴美留学，入芝加哥大学攻读英美文学、俄罗斯文学。
1949年12月在佛罗里达州与正在生物系留学的周与良结婚。
1952年6月30日 [1] 毕业，获芝加哥大学文学硕士学位。
1953年初自美国回到天津，任南开大学外文系副教授，致力于俄、英诗歌翻译。
1958年被指为历史反革命，调图书馆和洗澡堂，先后十多年受到管制、批判、劳改，停止诗歌创作，坚持翻译。
1975年恢复诗歌创作，一举创作了《智慧之歌》、《停电之后》、《冬》等近30首作品。
1976年3月31日右腿股骨颈折断。翌年2月26日春节期间，穆旦于凌晨心脏病突发逝世，享年59岁。死前，穆旦在《冥想》的诗中道出了自己的内心独白：“而如今突然面对坟墓，我冷眼向过去稍稍回顾，只见它曲折灌溉的悲喜，都消失在一片亘古的荒漠。这才知道我全部的努力不过完成了普通生活。”
1979年平反穆旦葬于北京万安公墓。
