Trầm Tử Thiêng tên thật là Nguyễn Văn Lợi, sinh ngày 1 tháng 10 năm 1937 tại Đại Lộc, Quảng Nam, nhưng trên giấy tờ ghi sinh năm 1940. Ông bắt đầu ca hát từ năm lên 10 ở các thôn quê miền Nam Việt Nam từ 1945 đến 1949. Sau đó, ông lên Sài Gòn học trung học.[1]

Năm 1958, Trầm Tử Thiêng tốt nghiệp trường Sư phạm và bắt đầu dạy học.

Năm 1966, Trầm Tử Thiêng gia nhập Cục Tâm lý chiến thuộc Tổng cục Chiến tranh Chính trị, Bộ Tổng Tham mưu Quân lực Việt Nam Cộng hòa. Thời gian này ông viết các bản nhạc như: Quân trường vang tiếng gọi, Đêm di hành, Mưa trên poncho. Sự kiện Tết Mậu Thân 1968, Trầm Tử Thiêng viết bài Chuyện một chiếc cầu đã gãy nói về cầu Trường Tiền bị giật sập. Năm 1970, ông viết Tôn Nữ còn buồn về trận bão tàn phá miền Nam. Ngoài ra, ông cũng tham gia vào phong trào Du ca Việt Nam.

Từ năm 1970, Trầm Tử Thiêng làm việc cho chương trình Phát Thanh Học Đường chung với Lê Thương, Hùng Lân, Vĩnh Bảo, Tống Ngọc Hạp, Xuân Điềm, Bảo Tố, Đắc Đăng... Lấy bút hiệu là Anh Nam, ông sáng tác các bài nhạc thiếu nhi đề tài lịch sử, xã hội văn hóa để giáo dục cho học sinh tiểu học toàn quốc. Công việc chấm dứt khi xảy ra sự kiện 30 tháng 4 năm 1975.[2]

Sau nhiều lần vượt biên không thành, ông bị tù cải tạo một thời gian.

Năm 1985, sau khi ra tù, ông được ca sĩ Thanh Thúy bảo lãnh sang định cư tại Little Saigon, tiểu bang California, Hoa Kỳ. Ông là cố vấn ban chấp hành Hội Ký giả Việt Nam Hải ngoại 2 nhiệm kỳ 1996 - 2000.[3] Cuối năm 1999, ông cùng các bạn văn nghệ sĩ sáng tác lập Thư viện Việt Nam tại Little Saigon.[4]

Ở Hoa Kỳ, ông cộng tác với Trung tâm Mây và Trung tâm Asia. Đặc biệt, Trầm Tử Thiêng đã cùng Trúc Hồ sáng tác nhiều ca khúc cho thể loại nhạc đồng ca như: Bước chân Việt Nam, Việt Nam niềm nhớ, Một ngày Việt Nam, Cám ơn anh... và những tình khúc như Cơn mưa hạ, Đêm, Đã qua thời mong chờ, Tình đầu thời áo trắng... Một bài hát khác của ông là Đêm nhớ về Sài Gòn viết năm 1987 cũng được nhiều người biết đến.

Tháng 8 năm 1996, Trầm Tử Thiêng viết Có tin vui giữa giờ tuyệt vọng nhân sự kiện một làng Việt Nam được xây dựng ở Philippines dành cho người Việt lưu vong. Bài hát nổi tiếng với tiếng hát của ca sĩ Khánh Ly.

Ngày 25 tháng 1 năm 2000, Trầm Tử Thiêng qua đời tại trung tâm y tế Anaheim Tây.

Năm 2007, Trung tâm Asia thực hiện chương trình Asia 54: Trầm Tử Thiêng & Trúc Hồ / Bước Chân Việt Nam để vinh danh ông cùng nhạc sĩ Trúc Hồ.