در اسفند ۱۲۹۲ در تهران به دنیا آمد.
خانوادهاش مازندرانی بودند و در عصر قاجار مشاغل دیوانی داشتند. جدش میرزا خانلرخان، و پدرش ابوالحسنخان اعتصامالملک، کارمند وزارت امورخارجه بودند. به نظر میرسد که علاقه به ادبیات را پدر در او برانگیخته و از راه کتابخانهی پدر کتابخوان شده باشد. در مدرسه سنلویی و در مدرسه امریکایی تحصیل کرد و با زبانهای فرانسوی و انگلیسی آشنا شد.
در دبیرستان دارالفنون تحتتأثیر دبیرانی چون بدیعالزمان فروزانفر و احمد بهمنیار، قرار گرفت. عبدالرحمان فرامرزی و علیاکبر سیاسی هم از معلمان او در دارالفنون بودند. با روحاللّه خالقی همدرس بود و آشنایی با خالقی ذوق موسیقی را در او برانگیخت، حتی مدتی هم به نواختن ویولن پرداخت و شعر کنسرتهای خالقی را سرود. در دوره دبیرستان به شعرهای نیما یوشیج گرایش یافت و با او مأنوس شد. سپس وارد دانشسرای عالی شد و در رشته ادبیات فارسی به تحصیل پرداخت. استادان او در دانشسرا، عباس اقبال و سعید نفیسی و همان دبیران وی در دارالفنون بودند.
حدوداً پیش از ۱۳۱۴، به همکاری با یان ریپکا، ایرانشناس چک پرداخت. سپس از طریق ریپکا با گروه رَبْعه (صادق هدایت، بزرگ علوی، مسعود فرزاد، مجتبی مینوی) آشنا شد و این آشنایی از موجبات دیگر تحول در نگرش و روش ادبی او بود. از ۱۳۱۶ به خدمت وزارت فرهنگ درآمد، در دبیرستانهای تهران و سپس در دانشسرای عالی به تدریس ادبیات پرداخت و معاش خانواده را به سختی اداره کرد.
در ۱۳۲۰ در دوره دکتری ادبیات فارسی در دانشگاه تهران پذیرفته شد و دو سال بعد از رساله خود، با عنوان «چگونگی تحول اوزان غزل و تحقیق انتقادی در عروض و قافیه»، به راهنمایی محمدتقی بهار و نظارت بدیعالزمان فروزانفر دفاع کرد.
در ۱۳۲۲ با عنوان دانشیار در دانشگاه تهران به تدریس ادبیات فارسی مشغول شد و همزمان مجله سخن را تأسیس کرد. در ۱۳۲۵ به دعوت دکتر علیاکبر سیاسی، رئیس دانشگاه تهران، مدیریت اداره انتشارات دانشگاه تهران را پذیرفت.
در ۱۳۲۷ برای تحصیل و مطالعه در زبانشناسی و آواشناسی به دانشگاه سوربن (پاریس) رفت و در آنجا نزدیک به سه سال به تحصیل و پژوهش، کار در آزمایشگاه آواشناسی و بازدید از مراکز مجامع فرهنگی پرداخت و دورهای آزاد را نیز در علم زیباییشناسی گذراند.
در ۱۳۲۹ به کشور بازگشت و کرسی تاریخ زبان فارسی را در دانشکده ادبیات دانشگاه تهران تأسیس کرد. خانلری در اوایل دهه ۱۳۳۰، به جایگاه کمنظیری در میان استادان دانشکده ادبیات و نیز در صحنه ادبی کشور دست یافت. شهرت و اعتبار به او میدان فراخی برای فعالیت ثمربخش داد، اما در عین حال پایش را هم به عرصه سیاست گشود.
دهههای ۳۰ و ۴۰ پرثمرترین دوران زندگی او بود. در این سالها به تالیف کتاب و نوشتن مقالاتی در زمینههای دستور زبان فارسی، زبان شناسی، وزن شعر، تاریخ ایران، تاریخ زبان فارسی و تصحیح انتقادی متون کهن فارسی دست زد. تصحیح انتقادی دیوان حافظ مهمترین اثر او در این زمینه است.
خانلری چند کتاب را از زبان فرانسوی، یک کتاب از عربی و یک کتاب از انگلیسی ترجمه کرد. دختر سروان اثر پوشکین (۱۳۱۰)، چند نامه به شاعری جوان از ریلکه (۱۳۲۰)، مخارج الحروف بوعلی سینا (۱۳۳۲) و تریستان و ایزوت (۱۳۳۴) از آن جمله اند.
ظاهراً دو اثر او، زندگینامهای خودْنوشت و کتابی درباره وزن شعر فارسی برای کودکان، هنوز منتشر نشده است.
در ۱۳۳۴ معاون وزارت کشور و از همان دوران، سناتور انتصابیِ مازندران شد و چند دوره در آن سمت بود. از شهریور ۱۳۴۱ تا بهمن ۱۳۴۲ مقام وزارت فرهنگ را در کابینه اسدالله علم داشت. در مقام وزارت فرهنگ، سپاه دانش را ایجاد کرد. از مهمترین خدمات خانلری به فرهنگ ایرانی، تأسیس بنیاد فرهنگ ایران با جلب همکاری عدهای از پژوهشگران بود که در سال ۱۳۴۴ آغاز به کار کرد. بنیاد فرهنگ ایران در مدت فعالیت خود بیش از سیصد عنوان کتاب را منتشر کرد که غالب آنها متون و تحقیقات مهمی در جنبههای مختلف ادبی و تاریخی و علمی بود.
خانلری در دهه ۱۳۵۰، درخشش دهههای پیش را نداشت و بیشتر به نظارت و سرپرستیِ مؤسسات متبوع و پژوهشهای شخصی میپرداخت. پس از انقلاب، صد روز زندانی شد و خطر اعدام او را تهدید میکرد که با وساطت شهید مطهری آزاد شد. دشواری این مدت بر وضع جسمی و روحیاش تأثیری بسیار عمیق گذاشت. او نه در جریان انقلاب و نه پس از آزادی از زندان، با اینکه امکان خروج از کشور را داشت، ایران را ترک نگفت و سالهای پایانی عمر را در انزوا و بیماری گذراند.
پرویز ناتل خانلری نهایتا در پنجشنبه اول شهریور ۱۳۶۹ در ۷۷ سالگی درگذشت و در بهشت زهرای تهران به خاک سپرده شد.