Hoàng Anh Tuấn sinh ngày 7 tháng 5 năm 1932 tại Phố Nhà Chung, Hà Nội trong một gia đình năm anh em mà ông là con trai cả và duy nhất. Thuở nhỏ ông theo học tại trường dòng Puginier ở Hà Nội, một trường đạo nổi tiếng là kỷ luật và nghiêm khắc. Năm 1943 khi phi cơ Nhật bắt dầu dội bom Hà Nội, ông cùng gia đình chạy loạn về Hưng Yên, theo học trường Đỗ Hữu Vị, nguyên là ngôi trường ở Hà Nội di tản về Hưng Yên. Sau này trường lại chuyển về Hà Nội, đổi tên là Nguyễn Trãi. Gia đình Hoàng Anh Tuấn lúc ấy dọn về Phố Tây Tuyên Quang, nay là phố Cao Bá Quát.
Trong phong trào kháng Pháp, Hoàng Anh Tuấn tuy còn nhỏ cũng ra khu và học trường trung học Nguyễn Huệ, tại làng Sêu, thuộc Khu 3 gần Hà Nội và tham gia toán du kích Đống Đa. Được một thời gian do có tư tưởng tự do nên bị trù dập, ông bỏ mộng đi kháng chiến, trốn về Hà Nội. Vào trường Dũng Lạc, Hoàng Anh Tuấn gặp họa sĩ Duy Thanh, có bạn bè bắt đầu làm thơ văn. Năm 14 tuổi, Hoàng Anh Tuấn có bài thơ lần đầu tiên đăng trên báo Tiểu Thuyết Thứ Bảy của Nhà xuất bản Tân Dân, Hà Nội.
Năm 16 tuổi Hoàng Anh Tuấn được gia đình gửi sang Pháp du học tại một trường tư thục ở Nice. Được một năm, ông tình cờ gặp Nguyên Sa Trần Bích Lan từ Paris về nghỉ hè ở Nice và theo Nguyên Sa bỏ nhà đi Paris bụi đời. Sau đó Hoàng Anh Tuấn theo học tiếp tại Provence, nửa chừng lại bỏ vào IDHEC, một trường điện ảnh khá nổi tiếng ở Paris.
Năm 1954, Hoàng Anh Tuấn kết hôn với bà Ngô Thị Liên lúc ấy là một sinh viên dược khoa tại Paris. Ông bà sinh được sáu người con, hai trai, bốn gái hiện sinh sống tại Santa Ana, Washington DC, Dallas và Houston.
Năm 1958, Hoàng Anh Tuấn về Sài Gòn, làm đạo diễn cho hãng phim Alpha của Thái Thúc Nha. Ít lâu sau ông chuyển sang làm báo cho các tờ Nhật báo Hiện Đại, Đồng Nai và Tiền Tuyến.
Năm 1965, tình hình chính trị tại miền Nam bắt đầu bất ổn, Hoàng Anh Tuấn nhận phụ trách điều hành Đài phát thanh Đà Lạt, trong khi vợ ông dạy tại trường Trung Học Yersin. Gia đình ông sống ở Đà Lạt gần mười năm cho tới năm 1974 mới về lại Sài Gòn.
Hoàng Anh Tuấn được coi như người nghệ sĩ “bá nghệ”. Về kịch, ông là tác giả nhiều vở được trình diễn tại sân khấu miền Nam trong đó hai vở kịch nổi tiếng nhất của ông là Hà Nội 48 và Ly nước lọc. Về điện ảnh, ông là đạo diễn của hai phim Xa lộ không đèn và Nghìn năm mây bay.
Sau ngày 30 tháng 4 năm 1975, ông bị tập trung cải tạo trong “diện văn nghệ sĩ phản động” tại trại Phan Đăng Lưu, cùng với các nhà văn Nguyễn Mạnh Côn, Duyên Anh, Hoàng Hải Thủy… Hai năm sau, Hoàng Anh Tuấn ra tù và sống ở Sài Gòn hai năm nữa với tình trạng rất khó khăn, đen tối trong khi toàn miền Nam còn đi cải tạo chưa về, nhưng may mắn sau đó chính phủ Pháp đã can thiệp cho ông cùng gia đình sang Paris. Tuy đã sinh sống ở Pháp trong một thời gian khá dài, sau đó ông lại chọn di cư sang Hoa Kỳ năm 1981 với sự bảo lãnh của Hoàng Hôn Thắm, con gái ông, đã rời việt Nam từ năm 1975.
Ban đầu Hoàng Anh Tuấn về định cư tại tiểu bang Ohio, rồi về Westminster, California tham gia làm báo với Du Miên khoảng hai năm. Sau đó, ông về Washington DC đầu quân với Nguyễn Thanh Hoàng làm thư ký tòa soạn tờ Văn Nghệ Tiền Phong trong một năm.
Mười năm cuối đời Hoàng Anh Tuấn sống tại San Jose, vẫn làm thơ dù sức khỏe suy giảm nhiều. Đầu năm 2004, ông ra mắt tập thơ Yêu em, Hà Nội và những bài thơ khác do con gái thứ là Thu Thuyền dày công sưu tập lại. Sau thời gian này, ông nằm hẳn trong bệnh viện cho tới khi mất vào ngày 1 tháng 9 năm 2006, hưởng thọ 75 tuổi.