Юрий Тынянов родился в 1894 году в Режице Витебской губернии (ныне Резекне в Латвии) в состоятельной еврейской семье врача Насона Аркадьевича Тынянова (1862—1924) и совладелицы кожевенного завода Софьи Борисовны Тыняновой (урожд. Соры-Хаси Эпштейн, 1868—1940). У Тынянова были старший брат Лев и младшая сестра Лидия.
Учился в Псковской гимназии (1904—1912, окончил с серебряной медалью), где среди его однокашников и друзей были Лев Зильбер, Август Летавет, Ян Озолин, Борис Лепорский.
Был женат (1916) единственным браком на Елене (Лее) Александровне Тыняновой (в девичестве Зильбер; сестра Льва Зильбера и Вениамина Каверина); дочь (1916) — Инна.
Окончил историко-филологический факультет Петроградского университета (1912—1918).
В студенческие годы участвует в работе Пушкинского семинара С. А. Венгерова, Пушкинского историко-литературного кружка/научного общества.
С 1918 года Тынянов — участник ОПОЯЗа, где, наряду с В. Б. Шкловским, Б. М. Эйхенбаумом и др. вносит свой вклад в создание научного литературоведения («формального метода» в литературоведении). В 1919 году сдает выпускную работу «Пушкин и Кюхельбекер» (утеряна в Гражданскую войну; в 1934 году Тыняновым написана одноименная статья) и «оставляется при университете» (что близко к современной аспирантуре).
В 1919-20 годах Тынянов преподает литературу в школе, в 1919-21 служит в Центральном бюро Союза коммун Северной области, затем в Отделе информации петроградского бюро Коминтерна, читает лекции в Доме искусств и Доме литераторов.
В 1921—30 профессор Института истории искусств. В 20-е годы Тынянов выступает как литературовед и литературный критик, публикует книги «Достоевский и Гоголь (к теории пародии)» (1921), «Проблема стихотворного языка» (1924), представляющую наиболее его проработанную теоретическую работу, сборник статей о литературном процессе первой трети XIX века «Архаисты и новаторы» (1929), а также многочисленные работы, не вошедшие в прижизненные сборники.
В те же годы он начинает писать профессиональную прозу (дебютировал в 1925 году под псевдонимом Юзеф Мотль в № 26-27 журнала «Ленинград»; затем следуют романы «Кюхля» (1925) и «Смерть Вазир-Мухтара» (1928), рассказ (фактически, маленькая повесть) «Подпоручик Киже» (1927)), переводить Г. Гейне, пишет также сценарии к кинофильмам («Шинель» (1926), «СВД» (1927; совместно с Ю. Г. Оксманом)). Постепенно писательство становится его второй профессией.
К концу 1920-х годов рассеянный склероз, которым Тынянов страдал с молодости, приводит к частичной утрате работоспособности. В 1930-х гг. прогрессирующая болезнь, наряду с гонениями на «формалистов», несколько снижают его научную активность и переводят её из теоретического в историко-литературное русло. В это десятилетие выходят его роман «Пушкин» (1936, ч. 1 и 2), повесть «Восковая персона» (1930), рассказы «Черниговский полк ждет» (1932) и «Малолетный Витушишников» (1933), ещё две книги переводов из Гейне. Тынянов принимает активное участие в подготовке книг из серии «Библиотека поэта», становясь после смерти Максима Горького фактическим её руководителем.
Войну Тынянов встречает в состоянии инвалида. Однако до конца жизни он продолжал работать над третьей частью своего последнего романа («Пушкин», не завершен) и писать рассказы (во время войны в провинциальных изданиях опубликованы как минимум три его рассказа).
Умер Ю. Н. Тынянов в декабре 1943 года, вернувшись из эвакуации в Москву.
В г. Резекне в 1981 году педагог Анна Уланова создала музей писателя, а с начала 80-х годов проходят чтения, посвященные памяти Тынянова.
По свидетельствам, приводимым в мемуарной литературе, Тынянов писал рассказы и стихи, начиная с детских лет.
Систематическая профессиональная деятельность его в качестве литератора начинается в 1924 году, когда Тынянов, взявшись (по коммерческому заказу, организованному Корнеем Чуковским) за подготовку популярной брошюры о лицейском товарище Пушкина, а впоследствии декабристе, каторжнике и ссыльном В. К. Кюхельбекере, неожиданно написал о нём роман («Кюхля»). Роману, написанному достаточно неровно, но остающемуся одним из образцов воспроизведения «духа эпохи» в беллетристике, суждено было оказаться флагманом жанра «советского исторического романа», требуемого конъюнктурой. Однако сам роман не конъюктурен ни в какой мере и остаётся переиздаваемым и читаемым восемь десятилетий спустя.
Следующий роман Тынянова — «Смерть Вазир-Мухтара» (1928), посвящённый последнему году жизни А. С. Грибоедова, представляет собой совершенно зрелое произведение со своеобразной стилистикой.
Несколько ранее Тынянов публикует первое из серии произведений («исторических повестей»), которые в равной мере могут быть отнесены к большим рассказам или коротким повестям — «Подпоручик Киже» (1927), за которым последовали «Восковая персона» (1930) и «Малолетный Витушишников» (1933). Автор привлекает в двух первых из них материал эпох, иных, нежели начало XIX века, являющееся «центром притяжения» большинства как научных работ, так и художественных произведений Тынянова (их действие относится к царствованию Павла I, Петра I и Николая I, соответственно).
В этих небольших по размеру и отточенных по форме произведениях сочетаются историческая стилизация языка (включая элементы сказовости, особенно в «Восковой персоне») с тонким пародированием «социологической прозы», получившей определённое распространение в советской литературе 1920-х — начала 1930-х годов (отчасти это относится и к миниатюрным зарисовкам, опубликованным в 1930 году под названием «Исторические рассказы»).
Согласно опубликованному Н. Л. Степановым списку (относящемуся к 1932 году), Тынянов вынашивал замысел «собрания сочинений», содержащего, наряду с написанными «Кюхлей», «Смертью Вазира-Мухтара», историческими повестями, а также незавершенным «Пушкиным» и романом «Ганнибалы» (работу над которым Тынянов начал, но оставил), ещё ряд пунктов. Они включали произведения «Граф Сардинский» (о Д. И. Хвостове, известном деятеле литературы и графомане конца XVIII — начала XIX веков), «Евдор» (по всей видимости, о П. А. Катенине), «Капитан Шишков 2-й» (о поэте и бретере А. А. Шишкове), «Овернский мул» (о Ж. Ромме; сохранился набросок, и по его мотивам написан поздний рассказ «Гражданин Очер»), «Бани Сандуновские», «Пастушок Сифил», «Иван Барков», «Потери».
Сниженная из-за болезни работоспособность и ранняя смерть не позволили Тынянову осуществить большую часть задуманного. Зная о неизлечимости своей болезни, он стремился успеть написать главное произведение своей жизни — роман «Пушкин», грандиозную эпопею о становлении, жизни и смерти национального поэта.
Наряду со «Смертью Вазир-Мухтара» и историческими повестями, две части «Пушкина» (1935 и 1936-37, соответственно), которые писатель успел завершить, относятся к вершинам его прозы. Третья часть (1943, опубликована посмертно) носит следы незавершённости, в последних главах выглядит как «творческий конспект» ненаписанного материала.
Художественное наследие Тынянова включает также короткие рассказы 1920-х годов; ряд рассказов («Гражданин Очер», «Генерал Дорохов», «Красная шапка»), написанных во время войны в эвакуации; киносценарии и одну пьесу; книгу переводов из Жоржа Дюамеля, три книги переводов из Г. Гейне.
Кроме того, по воспоминаниям знакомых, Тынянов был мастером устного рассказа и актёрской пародии. Ираклий Андроников ссылался на Тынянова как на неподражаемый образец этого жанра, который сам Андроников впоследствии популяризовал посредством телевидения.
Академическое собрание писателя никогда не издавалось, но его статьи печатались в следующих сборниках: