Nació el 16 de marzo de 1892 en la ciudad andina de Santiago de Chuco del norte del Perú.
Fue el menor de los once hijos de Francisco de Paula Vallejo Benítez y María de los Santos Mendoza Gurrionero. Se crio en el seno de una familia mestiza con una gran devoción cristiana. Su familia deseaba que se convirtiera en cura.

Completó secundaria en la ciudad de Huamachuco en 1908 y obtuvo su bachillerato de letras en la universidad de Trujillo en 1916 con una tesis sobre El romanticismo en la poesía castellana.
Más tarde viajó a Lima para estudiar un doctorado en la Facultad de Letras de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos.

En 1918 editó su primer libro con el título de «Los Heraldos Negros» (impreso en 1918, circula en 1919), uno de los más representativos ejemplos del posmodernismo.
Por entonces se sumó al denominado grupo «Norte», liderado por Antenor Orrego, Víctor Raúl Haya de la Torre, Macedonio de la Torre y Alcides Spelucín, entre otros.
Tuvo diferentes empleos que le ayudaron a conocer la realidad social de su país influyendo en algunos de sus poemas. Las dificultades económicas siempre estuvieron presentes en su vida.

César Vallejo está considerado el máximo exponente de las letras de Perú y como uno de los más importantes innovadores de la poesía del siglo XX.
Abarcó casi todos los géneros literarios: poesía, narrativa, guiones de teatro y diversos ensayos. Además, realizó una labor periodística escribiendo crónicas y artículos. Corrigió mucho sus textos puesto que casi nunca estuvo satisfecho con lo que escribía.

En 1920 regresó a su pueblo natal y se vio envuelto en un incidente por el que fue detenido y llevado a la cárcel de Santiago de Chuco, donde permaneció tres meses. Los periódicos de aquella época defendieron su inocencia quedando posteriormente en libertad. Estando preso escribió Escalas melografiadas.

Esta experiencia tendrá una crítica y permanente influencia en su vida y obra, y se refleja de modo muy directo en varios poemas de su siguiente libro, Trilce (1922) considerada una obra innovadora en el uso del lenguaje. Este usa múltiples figuras literarias, como onomatopeyas y vulgarismos.

Un año después partió para París, donde permanecerá (con algunos viajes a la Unión Soviética, España y otros países europeos) hasta el fin de sus días. Estos años estuvieron marcados por una gran pobreza y un intenso sufrimiento físico y moral.

Fue en la lírica donde Vallejo alcanzó su verdadera expresión. Esta consta de tres etapas: modernista, vanguardista y revolucionaria. Conoció a poetas como Huidobro, Gerardo Diego, Juan Larrea y Juan Gris, con los que participó en actividades de sesgo vanguardista, pero pronto abjuró de su propio Trilce y hacia 1927 aparece firmemente comprometido con el marxismo y su activismo intelectual y político.
Trabajó para periódicos y revistas, escribió piezas teatrales, relatos y ensayos de intención propagandística, como Rusia en 1931. Reflexiones al pie del Kremlin (1931).

Afiliado al Partido Comunista de España (1931) y nombrado corresponsal, sigue de cerca las acciones de la Guerra Civil y escribe su poema más político: España, aparta de mí este cáliz, que apareció en 1939 impreso por soldados del ejército republicano.
Toda la obra poética escrita en París, y que publicó en diversas revistas, se recopiló con el título Poemas humanos (1939).

Falleció en París el 15 de abril de 1938. Fue enterrado en el cementerio de Montrouge, para luego ser trasladado a iniciativa de su viuda a Montparnasse.