Сведения о жизни Камоэнса чрезвычайно скудны и иногда противоречивы. Считается, что Камоэнс родился в 1524, предположительно в Лиссабоне. Он происходил из старинного и богатого галисийского рода, один из членов которого, Васко Пирес де Камоэнс (порт. Vasco Pires de Cam?es), в 1370 г. бежал по политическим причинам в Португалию. Он был не только выдающимся воином, но и блестящим поэтом-трубадуром. Дед поэта по материнской линии, Антао, был женат на родственнице Васко да Гама. По некоторым сведениям, мать Камоэнса, дона Ана (порт. Ana de S? e Macedo), умерла очень рано; отец его, Симон (порт. Sim?o Vaz de Cam?es), женился вторично и уехал в Индию капитаном корабля. Близ Гоа он потерпел кораблекрушение и вскоре умер, весть о чём дошла в Лиссабон только в 1553 г.
Детство своё Камоэнс провёл в обществе заботливой и любящей мачехи, под опекой дяди, дон-Бенто, учёного монаха-аскета. Камоэнс учился в Коимбре, сначала в монастырской школе, потом в университете, где приобрёл знание языков и большую начитанность в древне— и новолатинской, греческой, испанской, итальянской и португальской поэзии и в истории общей и отечественной. В 1537—1542 обучался в Коимбрском университете, где Камоэнс начинает писать, примыкая в своих первых опытах к школе Са де Миранда; но уже тогда в нём заметна любовь ко всему народному — к легендам, сказкам, пословицам, песням и романсам. Предположительно к университетскому периоду относится комедия «Амфитрион» (порт. «Anfitri?es»).
Любовный эпизод в его жизни влечёт за собой ссору с дядей, вследствие чего Камоэнс оставляет университет, не получив учёной степени. Около 1542, примирившись с дядей, Камоэнс отправляется искать счастья в Лиссабон. Здесь он получает место домашнего учителя в доме графа Норонья. Впервые увидев в церкви в 1544 году фрейлину королевы Катерину де Атаиде (порт. Caterina de Ata?de), дочь высокопоставленного придворного лица, Камоэнс тотчас же страстно влюбился в неё. Желание чаще видеться с ней побудило Камоэнса хлопотать о доступе ко двору, что и удалось ему благодаря содействию графа Норонья. Как поэт-импровизатор, драматург, режиссёр и актёр в устраиваемых им спектаклях во время придворных празднеств, Камоэнс имел случай отличаться в присутствии возлюбленной, чаще видеться с ней и искать взаимности. Любовь его не осталась тайной; она возбудила негодование семьи де Атаида; завистники и соперники втянули поэта в ссоры и неприятности, и в начале 1549 года Камоэнс был выслан из Лиссабона по указу короля.
Беспомощное положение заставило его поступить на военную службу. Определённый в гарнизон Сеуты, он храбро сражался в случайных стычках, в одной из которых потерял правый глаз. После двух лет военной жизни Камоэнс вернулся в 1551 г. в Лиссабон. Во время церковной процессии он тяжело ранил высокопоставленное придворное лицо и был посажен в тюрьму. Следствие длилось 9 месяцев, и хотя поэт был помилован королём Жуаном III, это было сделано под условием отъезда на службу в Индию. В марте 1553 отплывает рядовым матросом в Гоа. Во время шестимесячного плавания, как и во время заключения в тюрьме, Камоэнс писал первые песни прославившего его эпоса.
В Индии он участвовал в нескольких сражениях (в Малабаре), затем провёл более года в Гоа, писал стихи, участвовал в путешествии в Мекку. Во время деятельной и полной приключениями жизни своей в Африке и Индии сам поэт, как он говорит в «Лузиадах» про Цезаря, «берётся то за меч, то за перо». Назначенный в 1556 в Макао на довольно видную административную должность — смотрителем имущества отсутствующих и пропавших без вести лиц в Макао — Камоэнс заканчивает на Гоа «Лузиады», но затем один из временных комендантов Макао обвиняет его в проступках по службе и увозит с собой пленным на корабле. Корабль, направляясь в столицу Сиама Аюттхаю, ошибся в навигации в Сиамском заливе, и вместо Чаупхраи вошёл в другую реку (Меклонг) и сел там на мель. Поэту пришлось плыть на берег, держась за кусок дерева. При этом ему удалось спасти рукопись «Лузиад». Добравшись до Гоа, он потребовал суда и был оправдан. После различных других злоключений Камоэнсу удалось наконец «с больным сердцем и пустым кошельком» вернуться на родину (1570).
Ещё в Гоа, в 1561 года, Камоэнс получил известие о смерти своей возлюбленной; сила и продолжительность его горя доказывается многочисленными стихотворениями.
В 1570 г. Камоэнс добирается до Лиссабона, где начинает хлопотать о публикации «Лузиад». В 1572 г. выходит в печать поэма «Лузиады», воспевающая открытие Индии Васко де Гама. Камоэнс посвятил её королю Себастиану, который назначил ему небольшую, но всё же кое-как спасавшую его от нужды пожизненную пенсию. Размер пенсии был в 4 раза ниже, чем средний доход плотника. Дополнительные деньги Камоэнсу приносил мальчик-слуга, привезённый из Мозамбика, который собирал милостыню на улицах Лиссабона. Несмотря на то, что поэма вызвала общее восхищение, творцу «Лузиад» пришлось доживать дни свои в бедности; к ней присоединилось горе о потере независимости Португалии. «Я умираю не только в отечестве, но и с ним вместе», — восклицает поэт в письме к своему другу.
В поэме «Лузиады» Камоэнс воспевает потомков Луза — друга или сына Бахуса, который, по сказаниям, поселился в Португалии и был там королём. Поэма состоит из 10 песен, заключающих в себе 1102 октавы. Ни один из европейских народов не имеет национального эпоса, подобного «Лузиадам». Камоэнс воспевает всё, что составляет славу португальцев, все выдающиеся исторические события и происшествия; он рассказывает об открытии Васко да Гамы, вплетая в рассказ эпизоды из португальской истории. Горячий патриот, Камоэнс стремился обессмертить героические подвиги и национальные традиции своих соотечественников. С прелестью стиха поэма Камоэнса соединяет верную передачу фактов, так что Камоэнс может быть назван лучшим историком своей страны. Камоэнс — великий мастер рисовать картины природы; в особенности ему удается описание моря. «Португальский Гомер» был также и превосходным лириком: в его нежных и грациозных песнях, одах, элегиях и эклогах отражается вся его несчастная жизнь.
Первый сборник стихотворений Камоэнса, «Стихи, поделённые на пять частей», появился уже после его смерти, в 1595 г.; вторая часть, «Рифмы» — в 1616 г. В молодости Камоэнс написал три драматические пьесы: «Царь Селевк», «Дело Филодема» и «Амфитрион», не имевшие продолжительного успеха. Поэма Камоэнса переведена на все европейские языки, даже по нескольку раз; так, например, на французском существует 9 переводов. По-русски переводились отрывки Жуковским. Жизнь Камоэнса вдохновила многих поэтов и драматургов: Антонио де Кастильо, Фред. Галм, Деланда. Особенно известна поэма Альмеида Гарретта «Камоэнс», последние строфы которой заключают в себе жестокий упрёк соотечественникам за горькую судьбу поэта. В настоящее время слава Камоэнса чрезвычайно велика в Португалии. Горячий патриотизм, которым проникнуты «Лузиады», много содействовал пробуждению португальской национальности в 1640 г. По решению парламента в 1860 г. в Лиссабоне воздвигнут памятник Камоэнсу работы скульптора Баштуша.
Заболев чумой, он умер 10 июня 1580 г. и похоронен в церкви св. Анны. 16 лет спустя дон Гонсало Кутинью поставил на том месте, где предполагалась могила Камоэнса, надгробный камень с надписью. Землетрясение Лиссабона в 1755 г. разрушило до основания церковь св. Анны. В 1855 г. собрали предполагаемые останки Камоэнса и похоронили их, а в 1880 г., перед торжественным празднеством трёхсотлетия смерти Камоэнса, эти предполагаемые останки его, так же как и останки Васко да Гамы, были перенесены с королевскими почестями и похоронены в монастыре Жеронимуш, в Белеме — одним из районов Лиссабона: гроб с прахом Васко да Гамы — по левую руку, а с прахом Камоэнса — по правую руку гробницы короля Себастиана.
Творчеству Камоэнса в Португалии придаётся особое значение. День смерти Луиса Камоэнса (10 июня) отмечается португальским сообществом как День Португалии — День Камоэнса. В честь Камоэнса назван кратер на Меркурии.