Гектор Берлиоз родился в провинциальном городе Ла-Кот-Сент-Андре (департамент Изер близ Гренобля) на юго-востоке Франции. Его отец, Луи-Жозеф Берлиоз, был уважаемым провинциальным врачом. Луи-Жозеф Берлиоз был атеистом; мать Гектора, Мария-Антуанетта, была католичкой. Гектор Берлиоз был первым из шести детей в семье, трое из которых не дожили до взрослого возраста. У Берлиоза осталось две сестры — Нэнси и Адель, с которыми он был в хороших отношениях. Образованием юного Гектора занимался, в основном, отец. Детские годы Берлиоз провёл в провинции, где слышал народные песни и познакомился с древними мифами.
В отличие от некоторых других известных композиторов того времени, Берлиоз не был вундеркиндом. Он начал заниматься музыкой в 12 лет, тогда же он стал писать небольшие композиции и аранжировки. Из-за запрета отца, Берлиоз никогда не учился играть на фортепиано. Он научился хорошо играть на гитаре, флажолете и флейте. Он изучал гармонию только по учебникам без преподавателя. Большинство его ранних произведений было романсами и камерными сочинениями. В марте 1821 года он окончил среднюю школу в Гренобле, а в октябре, в возрасте 18 лет, Берлиоз поехал в Париж, где стал учиться медицине. Родители желали ему стать медиком, но сам Берлиоз тяготел к музыке. К медицине он не проявлял интереса, а после того как побывал на вскрытии трупа, стал испытывать к ней отвращение.
Гектор Берлиоз совершил первый визит в Парижскую оперу, побывал на опере «Ифигения в Тавриде» Кристофа Глюка, композитора, которым он восхищался наряду с Людвигом ван Бетховеном. Тогда же Берлиоз стал посещать библиотеку Парижской консерватории, где он искал партитуры опер Глюка, чтобы сделать с них копии. Там он впервые встретился с Луиджи Керубини — будущим директором консерватории. Керубини тогда не хотел пускать Берлиоза в библиотеку, так как он не был студентом консерватории. Вскоре он решил стать композитором. В этих начинаниях ему помогал Жан-Франсуа Лесюёр, профессор консерватории. В 1823 году Берлиоз написал свою первую статью — письмо в журнал «Le corsaire» в защиту оперы «Весталка» Спонтини. В тот период Берлиоз сочинил несколько произведений.
Несмотря на неодобрение родителей, в 1824 году он официально бросил изучать медицину, чтобы продолжить карьеру композитора. В 1825 году в Париже состоялось Первое публичное исполнение его произведения «Торжественная месса», безо всякого успеха. Берлиоз, занимаясь самообразованием, несколько лет брал уроки у Жан-Франсуа Лесюёра и к нему же в класс полифонии подался после поступления в Парижскую консерваторию в 1826 году (также он занимался в классе Антонина Рейхи). Он начал подрабатывать певцом в хоре. В конце 1827 года он посетил театр Одеон и увидел как ирландская актриса Гарриет Смитсон исполнила роли Офелии и Джульетты в пьесах Шекспира Гамлет и Ромео и Джульетта. Он был очарован актрисой. Берлиоз писал Гарриет множество любовных писем, которые смущали и пугали её, и поэтому остались без ответа.
Начиная с 1828 года, Берлиоз начал писать критические статьи о музыке и познакомился с популярными в то время писателями и музыкантами, такими как Виктор Гюго, Александр Дюма, Паганини, Жорж Санд. В 1828—1830 года вновь были исполнены несколько произведений Берлиоза — увертюры «Уэверли», «Francs-juges» и «Фантастическая симфония», после исполнения которой публика обратила внимание на молодого композитора. В 1830-м году Берлиоз окончил консерваторию. В тот же год он получил Римскую премию за академическую неноваторскую кантату «Сарданапал». До этого Берлиоз 3 года подряд пытался получить премию, но 3 раза члены жюри отказывали ему, будучи озадачены. В этом же году началась революция; Берлиоз сочувствовал революционерам и даже инструментовал «Марсельезу». После получения премии он отправился в Италию по условиям стипендиата. Там он заинтересовался итальянской музыкой, встретился с Глинкой, познакомился с произведениями Байрона. В 1833 году Берлиоз возвратился во Францию, взяв с собой написанную в Италии увертюру «Король Лир» и симфоническое произведение «Le retour à la vie» в жанре, названном им «мелолог», которое составляет продолжение «Фантастической симфонии».
В Париже у Гектора Берлиоза начались романтические отношения с Гарриет Смитсон, и 2 октября 1833 года они поженились. На следующий год у них родился первенец — Луис Берлиоз. Но вскоре в семье между Гектором и Гарриет начались конфликты и в 1840 году они развелись. Обосновавшись в Париже, Берлиоз развил творческую активность, работал как композитор, сочиняя программные симфонии и оперы; дирижёр (работал, в частности, в Парижской консерватории) и музыкальный критик (писал в газетах «Gazette musicale de Paris», позже и в «Journal des Débats» до 1864 года и приобрел репутацию строгого и серьёзного критика). Однако, его оперы не имели большого успеха и он всё ещё оставался беден. В 1833 году Никколо Паганини попросил Берлиоза написать концерт для альта с оркестром, где сам Паганини намеревался выступить в качестве солиста. Так появилась симфония «Гарольд в Италии» с солирующим альтом.
В 1839 году он был назначен заместителем библиотекаря Парижской консерватории. есмотря на то, что работа музыкальным критиком обеспечивала неплохой доход, он её ненавидел, так как из-за этого у него оставалось мало свободного времени чтобы сочинять музыку. С 1842 года Берлиоз много гастролировал за границей. Он с триумфом выступал как дирижёр и композитор в России (1847, 1867—1868), в частности, собрав внушительную публику на концерте в Московском манеже. В 1850 году Берлиоз стал главным библиотекарем Парижской консерватории. В 1856 года Берлиоз был назначен членом Академии искусств. В 1860-х годах Берлиоз выпускает сборники статей, а также свои «Мемуары» (1870 год).
Личная жизнь Берлиоза омрачилась рядом печальных событий, о которых он детально рассказывает в своих «Мемуарах». Его первый брак с ирландской актрисой Гарриэт Смитсон закончился разводом в 1843 году (Смитсон много лет страдала неизлечимой нервной болезнью); после её смерти Берлиоз вступал в брак с певицей Марией Ресио, которая внезапно умерла в 1854 году. Сын композитора от первого брака умер в 1867 году. Сам композитор скончался в одиночестве 8 марта 1869 года.