Từ nhỏ, ông đã được nhiều người cho là thần đồng thơ văn[4]. Lên 8 tuổi, ông đã có thơ được đăng báo. Năm 1968, khi mới 10 tuổi, tập thơ đầu tiên của ông: Từ góc sân nhà em (tập thơ tiếp theo là Góc sân và khoảng trời) được nhà xuất bản Kim Đồng xuất bản. Có lẽ tác phẩm nhiều người biết đến nhất của ông là bài thơ "Hạt gạo làng ta", sáng tác năm 1968, được thi sĩ Xuân Diệu hiệu đính, sau được nhạc sĩ Trần Viết Bính phổ nhạc (1971).

Ông cũng được biết đến nhiều với câu chuyện khi mới hơn 10 tuổi đã đề nghị đổi câu thơ "Đường ta đi rộng thênh thang tám thước" thành "Đường ta rộng thênh thang ta bước" trong bài thơ Ta đi tới của nhà thơ nổi tiếng thời bấy giờ là Tố Hữu.

Trần Đăng Khoa nhập ngũ ngày 26 tháng 2 năm 1975 khi đang học lớp 10 trường phổ thông cấp 3 Nam Sách, quân số tại Tiểu đoàn 691 Trung đoàn 2 Quân tăng cường Hải Hưng. Sau khi thống nhất, việc bổ sung quân cho chiến trường không còn cần thiết nữa, ông được bổ sung về Quân chủng Hải quân, ông cũng từng chiến đấu ở Chiến trường Tây Nam Việt Nam giai đoạn 1978-1979. Sau đó ông theo học Trường Viết văn Nguyễn Du và được cử sang học tại Viện Văn học Thế giới M. Gorki thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Xã hội Nga. Khi trở về nước ông làm biên tập viên Tạp chí Văn nghệ quân đội. Từ tháng 6 năm 2004, khi đã mang quân hàm thượng tá Quân đội nhân dân Việt Nam, ông chuyển sang công tác tại Đài tiếng nói Việt Nam, giữ chức Phó Trưởng ban Văn học Nghệ thuật, sau đó là Trưởng ban Văn học Nghệ thuật Đài Tiếng nói Việt Nam. Năm 2008, khi Đài tiếng nói Việt Nam thành lập Hệ phát thanh có hình VOVTV (tiền thân của Kênh truyền hình VOV và nay là Kênh truyền hình Văn hóa - Du lịch Vietnam Jouney), ông được phân công làm Giám đốc đầu tiên của hệ này. Đến khoảng giữa năm 2011, chức vụ này được chuyển giao cho ông Vũ Hải – Phó Tổng Giám đốc của Đài kiêm nhiệm để ông chuyển sang làm Phó Bí thư thường trực Đảng ủy Đài Tiếng nói Việt Nam VOV.[3] Hiện nay ông là Phó Chủ tịch Hội Nhà văn Việt Nam khóa IX.