Đoàn Giỏi sinh ở quê tại xã Tân Hiệp, huyện Châu Thành, tỉnh Mỹ Tho (ngày nay là thị trấn Tân Hiệp, huyện Châu Thành, tỉnh Tiền Giang). Ông xuất thân trong một gia đình địa chủ lớn, có hàng trăm mẫu ruộng màu mỡ ven sông Tiền. Nhà ông xưa tòa ngang dãy dọc, nơi mà bây giờ trở thành trụ sở Ủy ban nhân dân huyện Châu Thành. Tất cả nhà và đất gia đình ông đã tự nguyện hiến cho kháng chiến ngay từ đầu. Ông từng theo học tại trường Mỹ thuật Gia Định trong những năm 1939-1940. Khi Cách mạng tháng Tám thành công và toàn quốc kháng chiến bùng nổ, gia đình ông đã tự nguyện hiến toàn bộ nhà cửa, ruộng đất cho chính quyền Việt Minh.

Trong những năm Việt Nam chống Pháp, Đoàn Giỏi công tác trong ngành an ninh, rồi làm công tác thông tin, văn nghệ, từng giữ chức Phó trưởng Ty thông tin Rạch Giá (1949). Từ năm 1949 đến năm 1954, ông công tác tại Chi hội Văn nghệ Nam Bộ, viết bài cho tạp chí Lá Lúa, rồi tạp chí Văn nghệ Miền Nam

Sau 1954, ông tập kết ra Bắc, đến năm 1955 ông chuyển sang sáng tác và biên tập sách báo, công tác tại Đài Tiếng nói Việt Nam, rồi Hội Văn nghệ Việt Nam. Ông là viên Ban chấp hành Hội Nhà văn Việt Nam các khóa I, II, III. Ông là Đảng viên Đảng Cộng sản Việt Nam. Đoàn Giỏi còn có các bút danh khác: Nguyễn Hoài, Nguyễn Phú Lễ, Huyền Tư.

Đất rừng phương Nam là truyện viết cho lứa tuổi thiếu nhi rất thành công và nổi tiếng của ông. Truyện đã được dịch ra nhiều tiếng nước ngoài, tái bản nhiều lần, được dựng thành phim và in trong Tủ Sách Vàng của Nhà xuất bản Kim Đồng. Tháng 2 năm 1957, Đoàn Giỏi nhận được đặt hàng của Hội văn nghệ Việt Nam viết một tác phẩm về thiếu nhi Nam Bộ, thời gian viết trong 4 tháng. Tuy nhiên, mãi đến tháng 5, khi nhà văn Nguyễn Huy Tưởng nhắc lại yêu cầu này và nhấn mạnh thời điểm ra đời của Nhà xuất bản Kim Đồng, Đoàn Giỏi mới bắt đầu chấp bút. Chỉ trong một tháng, ông đã kịp hoàn tất tác phẩm đúng thời gian dự kiến. Tác phẩm được xuất bản ngay thời điểm ra đời của Nhà xuất bản Kim Đồng và đã thành công vượt mức mong đợi. Đất rừng phương Nam được tái bản rất nhiều lần và được dịch và xuất bản ở Liên Xô, Hungari, Trung Quốc, Đức, Cuba...

Ông mất ngày 2 tháng 4 năm 1989 tại Thành phố Hồ Chí Minh vì bệnh ung thư. Ngày 7 tháng 4 năm 2000, Ủy ban Nhân dân Thành phố Hồ Chí Minh ra quyết định đặt tên ông cho một phố thuộc Quận Tân Phú.

Gia đình Đoàn Giỏi đã hiến toàn bộ nhà cửa, ruộng đất cho chính phủ - trụ sở của Uỷ ban nhân dân huyện Châu Thành, tỉnh Tiền Giang hiện nay chính là nhà của gia đình ông. Sau khi Việt Nam thống nhất năm 1975 Đoàn Giỏi đi lại rất nhiều giữa hai miền Nam, Bắc nhưng không có nhà riêng, khi ở Hà Nội ông thường ở Hội nhà văn Việt Nam và khi vào Nam ở nhờ nhà bạn bè.