Thanh Tùng sinh ngày 15 tháng 9 năm 1948 tại Nha Trang, thuộc tỉnh Khánh Hòa.[1] Năm 6 tuổi ông theo cha mẹ tập kết ra Bắc và lớn lên tại Hà Nội. Sau đó ông sang học tại Nhạc viện Bình Nhưỡng, Triều Tiên và tốt nghiệp năm 23 tuổi.

Từ năm 1971 đến 1975 Thanh Tùng là chỉ huy dàn nhạc Đài Tiếng nói Việt Nam II. Sau 1975, Thanh Tùng về sống tại Thành phố Hồ Chí Minh và là người có công xây dựng Dàn nhạc nhẹ Đài Truyền hình Thành phố Hồ Chí Minh và khai sinh nhóm hợp ca Những làn sóng nhỏ. Ông còn chỉ huy hợp xướng và chỉ đạo nghệ thuật Đoàn Ca múa Bông Sen. Thanh Tùng cũng là người đầu tiên đưa nhạc nhẹ chuyển soạn các ca khúc thành nhạc không lời như "Con kênh xanh xanh" của Ngô Huỳnh, "Cánh chim báo tin vui" của Đàm Thanh...

Năm 1975, Thanh Tùng viết ca khúc đầu tay "Cây sầu riêng trổ bông" cho một vở cải lương. Từ đó, ông đã viết hơn 200 bài hát.[2] Nhiều sáng tác của ông được giới trẻ yêu thích như "Hát với chú ve con", "Hoàng hôn màu lá", "Chuyện tình của biển", "Lời tỏ tình của mùa xuân", "Ngôi sao cô đơn", "Câu chuyện nhỏ của tôi", "Hoa tím ngoài sân", "Em và tôi", "Phố biển", "Mưa ngâu", "Lối cũ ta về".[2][3]

Ông từng công tác tại Hội Âm nhạc Thành phố Hồ Chí Minh. Nhạc sĩ có ba người con (2 trai, 1 gái): con trai cả là Nguyễn Thanh Bách, con trai thứ là Nguyễn Thanh Thông, cô con gái út là Nguyễn Thị Bạch Dương. Hiện con cái của Nhạc sĩ đều là những doanh nhân thành đạt ở Việt Nam. Chính ông cũng là một doanh nhân, khi đầu tư kinh doanh nước khoáng, nhà hàng, khách sạn và bất động sản. Ông còn sở hữu một vũ trường.[4] Vào tháng 7 năm 1998, ông mở một nhà hàng mang tên Sinh Đôi tại Thành phố Hồ Chí Minh.[3]

Vào năm 2008, ông không còn đi lại được sau một trận tai biến bất ngờ. Ông còn bị liệt bên phải, mất khả năng nói, bị tiểu đường và thận. Ông qua đời vào ngày 15 tháng 3 năm 2016 tại Bệnh viện Bạch Mai, Hà Nội.[1] Gia đình chọn nơi an nghỉ cho ông tại Công viên Thiên Đức (Vĩnh Hằng Viên – tỉnh Phú Thọ).[5]