Ses parents étaient cultivés. Sa mère, Paula Bartók (née Paula Voit), était institutrice et son père, dénommé Béla lui aussi, était directeur d’une école d’agriculture. Tous deux pratiquaient un peu la musique. Béla fut leur premier enfant, bientôt suivi d’une petite sœur, Erzsébet (Elza) en 1885. Le premier instrument du tout jeune Béla fut un tambour dont il se servait pour battre la mesure lorsque sa mère lui jouait du piano. Elle commence à lui enseigner ce dernier lorsqu’il atteint ses cinq ans. Il a sept ans quand son père meurt. Cela oblige sa mère à déménager et à donner des cours de piano, en plus de son métier, pour subvenir aux besoins de la petite famille. À onze ans, Bartók donne son premier concert. László Erkel lui enseigne alors le piano et l’harmonie. Il entre alors à l'Académie royale de musique de Budapest. Il est l'élève d'István Thomán (pour le piano) et de Hans von Koessler (pour la composition). Avec Zoltán Kodály Bartók commence à recueillir la musique folklorique hongroise. 

À partir de que Béla Bartók commence à approfondir son intérêt récent pour la musique populaire hongroise. Grâce à sa rencontre avec Kodály – qui lui inculque la rigueur scientifique – il prend conscience de la nécessité de sauvegarder la mémoire musicale traditionnelle ; commence alors pour lui une véritable carrière d'ethnographe et de ethnomusicologue, qui s'étendra rapidement à une grande partie de la musique traditionnelle européenne – et même au-delà. En compagnie de Kodály, il va parcourir les villages de Hongrie et Roumanie, recueillant des centaines de mélodies et chants populaires, les transcrivant et les enregistrant.

De 1907 à 1934, il enseigne le piano à l'Académie royale de Budapest. En 1907, il écrit Trois chansons populaires hongroises, et l'année suivante, il compose son Quatuor à cordes n° 1. En 1909, il épouse sa très jeune élève, Márta Ziegler (1893–1967), âgée de seize ans, qui, un an plus tard, lui donnera un fils, qui sera également prénommé Béla.

En 1911, il présente ce qui devait être son seul opéra, Le Château de Barbe-Bleue. Le gouvernement hongrois lui demande de retirer le nom du librettiste, Béla Balázs. Pendant la Première Guerre mondiale, il écrit les ballets Le Prince de bois et Le Mandarin merveilleux, suivis par deux sonates pour violon et piano qui sont parmi les pièces les plus complexes qu'il ait écrites. En 1917, il écrit son Deuxième Quatuor à cordes.

En 1923, Béla divorce de Márta et se remarie avec son élève Ditta Pásztory. Ensemble, ils feront des tournées en Europe, lors de concerts pour deux pianos. Son fils, Péter, voit le jour en 1924. En 1927-28, il compose ses Troisième et Quatrième Quatuors à cordes.

La Seconde Guerre mondiale bouleverse sa vie. En 1936, il compose sur une commande de Paul Sacher, chef d'orchestre de l'Orchestre de chambre de Bâle une œuvre majeure de la musique moderne, un de ses chefs-d'œuvre emblématiques : Musique pour cordes, percussion et célesta ; l'œuvre est créée le 21 janvier 1937 par son commanditaire.

Bartók ne se compromet jamais, ni de près ni de loin, avec le régime fasciste. Il s’oppose à Horthy qui a rallié les nazis. Il change de maison d’édition lorsque cette dernière se nazifie, refuse que ses œuvres soient jouées dans des concerts nazis, et demande à ce qu’elles participent à l’exposition sur la musique dite « dégénérée » à Düsseldorf. 

Le 8 août 1940, Bartók fait ses adieux à l’Europe lors d’un concert donné à Budapest.  La rupture est profonde et Bartók ne s’en remet pas. L’accueil aux États-Unis est d’abord chaleureux. Il refuse un poste de professeur de composition à la Curtis University mais accepte le titre de docteur honoris causa de l'Université Columbia : cela lui permet de continuer ses transcriptions et ses classements. Mais les concerts se font de plus en plus rares et les critiques ne le ménagent pas

La Hongrie, à peine libérée, lui rend un dernier hommage en l’élisant député : il accepte sachant qu’il ne pourra sans doute pas honorer la fonction. Bartók s’éteint le 26 septembre 1945 à New-York à l'âge de 64 ans, vaincu par la leucémie.