Venne educato alla musica sin dall'età di cinque anni, dapprima dalla madre che gli insegnò i rudimenti del pianoforte, in seguito (a soli dodici anni) dal maestro L. Erkel che lo iniziò alla composizione. Più tardi studiò pianoforte con István Thomán e composizione con János Koessler all'Accademia Reale della Musica di Budapest. Lì incontrò Zoltán Kodály e insieme raccolsero musica popolare dalla regione. Questo ebbe molta influenza sul suo stile. Dopo aver scoperto le musiche contadine dei magiari, che erano le autentiche musiche popolari ungheresi, Bartók cominciò a includere canzoni popolari nelle proprie composizioni e a scrivere temi originali con caratteristiche simili, oltre ad usare frequentemente figure ritmiche di matrice folklorica.

Bartók stava costruendo la sua carriera pianistica, quando nel 1907 ottenne il posto di professore di pianoforte all'Accademia Reale. Questo gli permise di rimanere in Ungheria e di non girare l'Europa come pianista, e gli lasciò più tempo per raccogliere altre canzoni popolari, soprattutto in Transilvania. Probabilmente il primo brano che mostrava chiaramente i suoi nuovi interessi è il Quartetto per archi n. 1 (1908), che contiene vari rimandi alla musica folklorica. Nel 1908 scrive anche le 14 bagatelle per pianoforte, in cui comincia a delineare il suo stile che appunto parte dal pianoforte, distaccandosi dal romanticismo. 

Nel 1909 Bartók sposò Márta Ziegler. Il loro figlio, anch'egli di nome Béla, nacque nel 1910.

Nel 1911, Bartók scrisse quella che sarebbe stata la sua unica opera, Il castello di Barbablù, dedicata a sua moglie, Márta. 

Di questo periodo sono anche i Due ritratti Op.5 (1907-08) e i Due quadri Op.10 (1910) per orchestra, l'Allegro barbaro (1911) per pianoforte, la Suite per pianoforte Op.14 (1916), le due Sonate per violino e pianoforte (1921 e 1923) e le Sei danze popolari rumene per orchestra. Le Melodie di Canzoni natalizie rumene sono dello stesso periodo delle Danze popolari rumene (1915) che raggiunsero abbastanza successo da essere pubblicate dalla Universal di Vienna nel 1918. 

Lo scoppio della prima guerra mondiale lo costrinse ad interrompere sue spedizioni, e ritornò a comporre, scrivendo il balletto Il Principe di Legno nel 1914-16 e il Quartetto per archi n. 2 nel 1915-17. Bartók successivamente lavorò ad un altro balletto, Il Mandarino Meraviglioso, iniziato nel 1918, ma non fu eseguito fino al 1926 a causa dell'argomento trattato: una storia che parla di prostituzione, furto e omicidio con un rapporto molto violento tra i due sessi. 

Bartók divorziò da Márta nel 1923, e sposò una studentessa di pianoforte, Ditta Pásztory. Il suo secondogenito, Péter, nacque nel 1924.

Nel 1926 ricomincia a scrivere alcune composizioni, dopo un periodo infecondo di qualche anno: abbiamo così i Quartetti per archi nn. 3 e 4 (1927 e 1928), le due Rapsodie per violino e pianoforte o orchestra (1928), la Cantata profana (1930), lavoro vocale con trama fantastica su una fiaba rumena, il primo e il monumentale secondo concerto per pianoforte e orchestra (1926 e 1930-31) e la Sonata per pianoforte del '26. 

Negli anni trenta nasce una serie di composizioni più mature e soprattutto più equilibrate: Quartetto per archi n°5 (1934), Musica per strumenti a corde, percussioni e celesta (1936) e la Sonata per due pianoforti e percussioni (1937, di cui esiste anche la forma in concerto con orchestra); poi abbiamo ancora i Contrasti per violino, clarinetto e pianoforte (1938, dedicati al clarinettista jazz Benny Goodman), il Concerto per violino e orchestra (1938) e il Divertimento per archi (1939), più il Quartetto per archi n°6 (1939), i 44 Duetti per due violini (1931) e la difficile Sonata per violino solo (1944, composta già negli Stati Uniti per Yehudi Menuhin) in cui Bartók porta a compimento i propositi stilistici avviati in questi anni.

Nel 1940, dopo lo scoppio della seconda guerra mondiale, e con il peggioramento della situazione politica in Europa, Bartók si convinse che doveva andarsene dall'Ungheria. Bartók si oppose fortemente ai nazisti. Dopo che ebbero preso il potere in Germania, non vi tenne più concerti e lasciò il suo editore tedesco. Dopo aver spedito i suoi manoscritti all'estero, Bartók si trasferì con riluttanza negli USA con Ditta Pásztory. Péter Bartók li raggiunse nel 1942 e più tardi si arruolò nella Marina degli Stati Uniti. Béla Bartók Jr. rimase in Ungheria.

Bartók non si sentì a suo agio negli USA, e trovò molto difficile comporre. Lui e sua moglie Ditta avrebbero dato concerti; per qualche tempo, ebbero una borsa di studio per lavorare su una collezione di canzoni tradizionali iugoslave, ma le loro finanze rimasero precarie, come la salute di Bartók. Serge Koussevitsky gli commissionò di scrivere il Concerto per orchestra, che divenne il lavoro più popolare di Bartók e che risollevò le sue finanze. 

Bela Bartok morì a New York di leucemia nel 1945.