Filho de um funcionário público e de uma dona de casa, a popular dona Canô, Caetano Veloso desde pequeno demonstrou interesse por música, pintura e, depois, pelo cinema.
Em 1959, um amigo lhe mostrou o disco Chega de saudade, de João Gilberto, que o marcou profundamente: Caetano considera o violonista baiano o responsável por ele ter seguido a carreira artística. Nos anos 1960, em Salvador, escreveu críticas de cinema para o Diário de Notícias, aprendeu a tocar violão e se apresentou em bares ao lado da irmã, Maria Bethânia. Em 1963, ingressou na Faculdade de Filosofia da Universidade Federal da Bahia, e conheceu Gilberto Gil, Gal Costa e Tom Zé.
Em 1965, lançou seu primeiro compacto, com as composições “Cavaleiro” e “Samba em paz”. Foi para o Rio de Janeiro acompanhar Maria Bethânia, que substituiria Nara Leão no show Opinião. Na década de 1960 participou de importantes festivais de música popular e fez trilhas de filmes. Em 1967, foi lançado o seu primeiro disco, chamado Domingo, ao lado de Gal Costa. Apresentou ainda nesse ano, no III Festival da Música Popular Brasileira, da TV Record, a marcha “Alegria, alegria”, classificada em quarto lugar.
No ano seguinte, participou do movimento Tropicália, considerado de vanguarda na música popular brasileira. O disco Tropicália ou panis et circensis, ao lado de Gil, Gal Costa, Tom Zé, Torquato Neto, Rogério Duprat, Capinan e Nara Leão, representou a concretização do Tropicalismo.
Em 1968, na fase mais repressiva do regime militar brasileiro, sua música “É proibido proibir” foi vaiada e desclassificada, provocando-lhe uma reação de indignação. “Vocês não estão entendendo nada”, dizia. Em 1969, depois de um período na prisão por “desrespeito ao hino e à bandeira nacional”, partiu para o exílio político em Londres, onde compôs músicas como “London, London” e “Como dois e dois”. Retornou ao Brasil em 1972, fez vários shows pelo país e nos anos seguintes também trabalhou como produtor.
Em 1976, Caetano, Gal, Gil e Maria Bethânia formaram o grupo Doces Bárbaros. No ano seguinte lançou o seu primeiro livro, Alegria, alegria, uma reunião de artigos, manifestos, poemas e entrevistas ao poeta Waly Salomão. Nos anos 1980, continuou gravando e produziu os discos Outras palavras, Cores, nomes, Uns e Velô. Ao lado de Chico Buarque de Holanda apresentou, em 1986, o programa de televisão Chico e Caetano, em que cantava e trazia convidados. Nos anos 1990, lançou Tropicália 2 (1993) ao lado de Gilberto Gil e, em 1997, o livro Vereda tropical. O disco Livro (1998) recebeu o prêmio Grammy em 2000 na categoria de melhor disco de MPB. Em 2001, participou do filme Fale com ela, de Pedro Almodóvar, cantando a música “Cucurrucucú paloma”. Em 2003, sua interpretação de “Burn it blue”, ao lado da mexicana Lila Dows, representando o filme Frida, na cerimônia de entrega do Oscar, foi o primeiro registro da participação de um cantor brasileiro no evento. Ainda nesse ano ganhou o Grammy latino, na categoria de melhor álbum de música popular brasileira, pelo CD Eu não peço desculpas, trabalho feito em parceria com Jorge Mautner.
Em 25 de janeiro de 2004, apresentou-se na esquina das avenidas Ipiranga e São João, em São Paulo, no aniversário de 450 anos da cidade. Lançou, nesse ano, o seu primeiro CD em inglês, A foreign sound, no qual interpretou “Come as you are”, da banda norte-americana Nirvana. No ano seguinte, lançou uma coletânea de ensaios e críticas publicadas ao longo de sua carreira em jornais e revistas com o título O mundo não é chato, organizada pelo poeta Eucanaã Ferraz.
Em 2007, foi lançada discografia oficial do artista pela gravadora Universal Music, em comemoração aos seus 40 anos de carreira. Em 2008, Caetano e o cantor Roberto Carlos fizeram juntos um show em tributo a Antônio Carlos Jobim e gravaram o CD e DVD Roberto Carlos e Caetano Veloso e a música de Tom Jobim. Caetano lançou os álbuns Cê (2006), Obra em Progresso (2008) e Zii e Zie (2009). Em 2011, produziu e compôs todas as canções de Domingo de Gal Costa. Em 2013, recebeu o Grammy Latino na categoria de Melhor Álbum de Compositor por Abraçaço.
Foi eleito o quarto melhor artista de música brasileira e o oitavo maior cantor brasileiro de todos os tempos pela revista Rolling Stone. Em 2015, Caetano saiu em turnê pelo Brasil e pelo exterior com Giberto Gil, ambos comemorando 50 anos de carreira, com o espetáculo Dois amigos, um século de música.