GS Tô Ngọc Thanh sinh năm 1934 tại Hà Nội, là con trai của họa sĩ Tô Ngọc Vân. Quê ông ở huyện Văn Giang, tỉnh Hưng Yên.
Được định hướng theo con đường hội họa, nhưng GS Tô Ngọc Thanh đã dành cả đời gắn bó với văn hóa dân gian. GS từng kể theo lời bà nội và mẹ ông, hồi bé, nếu không được hát ru thì ông không ngủ. Lớn lên ra Hà Nội ở với bố, không ai hát ru cho nữa nhưng GS nhận ra mình thích âm nhạc.
Năm 1956, ông thi và trúng tuyển Khoá 1, Trường Âm nhạc Việt Nam, tốt nghiệp loại giỏi (khóa 1956-1959). Ông học nhạc nhưng chơi với anh em nghệ sĩ chèo, đi xem hầu đồng... văn hóa truyền thống ngấm dần vào người ông.
Học nhạc xong, ông về Ban Nghiên cứu âm nhạc của Vụ Nghệ thuật và nghiên cứu về âm nhạc dân gian. Âm nhạc dân gian không thể tách rời văn hóa dân gian, vì thế ông nghiên cứu văn hóa dân gian. Năm 25 tuổi, GS Tô Ngọc Thanh khoác ba lô lên Tây Bắc bắt đầu nghiên cứu rồi sau đó cả đời gắn bó với văn hóa dân gian.
Năm 1978, ông bảo vệ thành công xuất sắc luận án và được phong học vị Phó Tiến sĩ (nay là Tiến sĩ) tại Nhạc viện Quốc gia Bulgaria.
Năm 1988, ông bảo vệ luận văn xuất sắc và được phong học vị Tiến sĩ Khoa học về chuyên ngành Âm nhạc tại Nhạc viện Quốc gia Bulgaria. Ông được phong Phó Giáo sư năm 1984 và được phong Giáo sư năm 1991. Ông đã hướng dẫn có hiệu quả cao luận án khoa học văn hoá, âm nhạc… cho nhiều nghiên cứu sinh bảo vệ thành công xuất sắc học vị thạc sĩ và học vị tiến sĩ.
Năm 1990, GS Tô Ngọc Thanh được bổ nhiệm chức Phó viện trưởng Viện Nghiên cứu Văn hoá Nghệ thuật. Năm 1996, ông được bổ nhiệm chức Viện trưởng của Viện này. Từ năm 1989 đến 2015, ông được bầu vào nhiều chức vụ trong cùng một thời gian, ví dụ như liên tục 6 nhiệm kỳ, từ khoá 2 (1989-1995) đến khóa 7 (2015-2020), ông được Đại hội toàn quốc Hội Văn Nghệ dân gian Việt Nam bầu làm Tổng Thư ký rồi Chủ tịch Hội, kiêm Bí thư Đảng Đoàn Hội văn Nghệ Dân gian Việt Nam.
Từ năm 1991 đến 1999, ông giữ chức ủy viên Đoàn Chủ tịch. Ông được Đại hội Uỷ ban toàn quốc Liên hiệp các Hội Văn học-Nghệ thuật Việt Nam bầu làm Tổng Thư ký của Liên hiệp từ năm 1996-2000 và làm Phó Chủ tịch Hội năm 2010 đến năm 2015. Từ năm 1999 đến 2005, ông giữ chức Uỷ viên Ban Thường vụ Hội đồng Quốc tế Âm nhạc Truyền thống ICTM của Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa Liên Hiệp Quốc (UNESCO).
Ngoài ra, ông còn giữ chức Uỷ viên Ban chấp hành Hội các nhà Âm nhạc dân tộc học châu Á - Thái Bình Dương (APSE). Ông là người có công lao trong việc sáng lập, viết giáo trình, trực tiếp giảng dạy với chất lượng chuyên sâu rất cao bộ môn Bảo tồn Âm nhạc Dân tộc Cổ truyền Việt Nam (Vietnam Ethonomusicology).
GS Tô Ngọc Thanh dành phần lớn thời gian trong cuộc đời để sưu tầm, nghiên cứu văn hóa dân gian của các dân tộc. Ông từng chia sẻ muốn tìm hiểu một dân tộc, ông mất ít nhất khoảng 3 năm sống chung với người dân địa phương. Năm đầu học tiếng, không biết tiếng thì không thể tìm hiểu, nghiên cứu được gì; sau đó sống cùng họ như người dân địa phương, từ ăn mặc đến phong tục sinh hoạt. "Cuộc đời tôi trải qua phần lớn thời gian là người trong cuộc (insider) sống với đồng bào dân tộc nhiều hơn ở nhà. Bố tôi từng nói "Đừng làm cái mình không biết, đừng đứng vào đó chật đất của người khác". Đến giờ, tôi nghĩ cả đời tôi đã sống làm cái mình biết như lời của bố nói" - GS Tô Ngọc Thanh từng tâm sự.