Nació en Arezzo. Su padre fue compañero de destierro de Dante Alighieri. Desde muy joven se dedicó a estudios de gramática, derecho y letras clásicas, y al cultivo de la poesía. Su juventud discurrió en Aviñón, Francia, sede de la corte pontificia, donde recibió las órdenes menores. Fue ordenado sacerdote en 1330. En Aviñón conoció a Laura de Novoes (esposa de Hugo de Sade y futura madre de 11 hijos), por quien experimentó una intensa pasión amorosa; ella fue la inspiradora de su obra poética, aunque, según parece, fueron amores platónicos que no estorbaron su condición de sacerdote.
En 1330 entró al servicio del cardenal Colonna, con quien realizó largos viajes por Francia y Alemania. En 1337 visitó Roma. Volvió a Francia, y en 1340 fue invitado por el Senado de Roma y la Universidad de París a recibir la corona de poeta laureado; se le coronó en 1341. En Parma, donde gozaba de una canonjía, se enteró de la muerte de Laura, suceso que lloró en sus versos durante muchos años. Sirvió luego a la poderosa familia Visconti, de Milán. La República de Venecia le ofreció un palacio donde vivió colmado de honres. Pasó sus últimos años en Arqua, donde, apoyada la cabeza sobre un libro, fue hallado muerto.
Aunque su copiosa obra latina influyó poderosamente la literatura contemporánea, debe su mayor renombre a sus poesías italianas, 300 sonetos, 29 canciones, 9 sextinas, 7 baladas y 4 madrigales, reunidas en un Cancionero que se difundió rapidísimamente; en ellas ofrece una novedosa concepción del amor. De este Cancionero (cuyo título exacto es Rérum vulgárium fragmenta ), son cualidades características la sinceridad de la confesión, la profundidad del análisis psicológico y la belleza de la forma, cuidada hasta el virtuosismo. Los sonetos cuentan la historia de un amor que duró breve tiempo, pero que permaneció intensamente en el alma del poeta, aún después de la muerte de Laura. Esta devoción a una mujer creó un modelo continuado por años por otros poetas.