Родился шестым ребёнком в семье. Отец — Мустафа Залилов, мать — Рахима Залилова (урождённая Сайфуллина).
Учился в Оренбургском медресе «Хусаиния», где кроме теологии изучал светские дисциплины: литературу, рисование и пение. В 1919 году вступил в комсомол и продолжил учебу в Татарском институте народного образования (Оренбург). Участник Гражданской войны.
В 1927 году поступил на литературное отделение этнологического факультета МГУ. После его реорганизации окончил в 1931 году литературный факультет МГУ.
В 1931—1932 годах был редактором татарских детских журналов, издававшихся при ЦК ВЛКСМ. С 1933 года завотделом литературы и искусства татарской газеты «Коммунист», выходившей в Москве. В Москве знакомится с советскими поэтами А. Жаровым, А. Безыменским, М. Светловым.
В 1932 году жил и работал в городе Надеждинск (современое название — Серов). В 1934 году вышли два его сборника: «Орденоносные миллионы» на комсомольскую тему и «Стихи и поэмы». Работал с молодежью; по его рекомендациям в татарскую литературу пришли А. Алиш, Г. Абсалямов В 1939—1941 годах был ответственным секретарём Союза писателей Татарской АССР, работал заведующим литературной частью Татарского оперного театра.
В 1941 году был призван в Красную Армию. Воевал на Ленинградском и Волховском фронтах, был корреспондентом газеты «Отвага».
В июне 1942 года во время Любанской операции советских войск Муса Джалиль был тяжело ранен и попал в плен. Для того, чтобы иметь возможность продолжать участвовать в борьбе с врагом, Джалиль вступил в созданный немцами легион «Идель-Урал». В Едлиньске около Радома (Польша), где формировался легион «Идель-Урал», Муса организовал среди легионеров подпольную группу и устраивал побеги военнопленных.
Пользуясь тем, что ему поручили вести культурно-просветительскую работу, Джалиль, разъезжая по лагерям для военнопленных, устанавливал конспиративные связи и под видом отбора самодеятельных артистов для созданной в легионе хоровой капеллы вербовал новых членов подпольной организации. Он был связан с подпольной организацией под названием «Берлинский комитет ВКП(б)», возглавлявшейся Н. С. Бушмановым.
Первый батальон легиона «Идель-Урал» поднял восстание и присоединился к белорусским партизанам в феврале 1943 года.
В августе 1943 года гестапо арестовало Джалиля и большинство членов его подпольной группы за несколько дней до тщательно подготавливаемого восстания военнопленных. За участие в подпольной организации Муса Джалиль был казнён на гильотине 25 августа 1944 года в тюрьме Плётцензее в Берлине.
В 1946 году МГБ СССР завело розыскное дело на Мусу Джалиля. Он обвинялся в измене Родине и пособничестве врагу. В апреле 1947 года имя Мусы Джалиля было включено в список особо опасных преступников.
В 1946 бывший военнопленный Нигмат Терегулов принес в Союз писателей Татарии блокнот с шестью десятками стихов Джалиля. Через год из советского консульства в Брюсселе пришла вторая тетрадь. Из Моабитской тюрьмы ее вынес бельгийский участник Сопротивления Андре Тиммерманс. Он сидел в одной камере с Джалилем в Моабитской тюрьме. В их последнюю встречу Муса сказал, что его и группу его товарищей-татар скоро казнят, и отдал тетрадь Тиммермансу, попросив передать ее на родину.
Был еще один сборник стихов из Моабита, его привез бывший военнопленный Габбас Шарипов. Терегулов и Шарипов были арестованы. Терегулов погиб в лагере. Габбас Шарипов отбыл наказание (10 лет), затем жил в Волгоградской области.
В январе 1946 года в советское посольство в Риме турецкий подданный татарин Казим Миршан принес еще одну тетрадь. Сборник отправлен в Москву, где след его потерялся. Сборник передали в министерство иностранных дел, затем в MГБ, затем в СМЕРШ. C 1979 поиски этих тетрадей не дали результатов.
«Моабитская тетрадь» попала в руки поэту Константину Симонову, который организовал перевод стихов Джалиля на русский язык, снял клеветнические наветы с поэта и доказал патриотическую деятельность его подпольной группы. Статья К. Симонова о Мусе Джалиле была напечатана в одной из центральных газет в 1953 году, после чего началось триумфальное «шествие» подвига поэта и его товарищей в народное сознание. Немалую роль в реабилитации Мусы Джалиля сыграл и его друг, писатель Гази Кашшаф.
В 1956 году посмертно был удостоен звания Героя Советского Союза, в 1957 году стал лауреатом Ленинской премии.
Первое произведение было опубликовано в 1919 году в военной газете «Кызыл йолдыз» (рус. «Красная звезда»). В 1925 году в Казани вышел его первый сборник стихотворений и поэм «Барабыз» (рус. «Мы идём»). Им были написаны 4 либретто для опер «Алтын чэч» (рус. «Золотоволосая», 1941, музыка композитора Н. Жиганова) и «Ильдар» (1941).
В 1920-е годы Джалиль пишет на темы революции и гражданской войны (поэма «Пройденные пути», 1924—1929), строительства социализма («Орденоносные миллионы», 1934; «Письменосец», 1938)
В концлагере Джалиль продолжал писать стихи, всего им было написано как минимум 125 стихотворений, которые после войны были переданы его сокамерником на Родину. За цикл стихов «Моабитская тетрадь» в 1957 году Джалилю была посмертно присуждена Ленинская премия Комитетом по Ленинским и Государственным премиям в области литературы и искусства. В 1968 году о Мусе Джалиле был снят фильм «Моабитская тетрадь».