Родился в семье нотариуса. В 1881 году Ролланы переехали в Париж, где будущий писатель, окончив лицей Людовика Великого, поступил в 1886 г. в высшую школу Эколь Нормаль. После её окончания Роллан два года прожил в Италии, изучая изобразительные искусства, а также жизнь и творчество выдающихся итальянских композиторов. Играя на фортепиано с раннего детства и не переставая серьёзно заниматься музыкой в студенческие годы, Роллан решил избрать своей специальностью историю музыки.

Вернувшись во Францию, Роллан защитил в Сорбонне диссертацию «Происхождение современного оперного театра. История оперы в Европе до Люлли и Скарлатти» (1895) и, получив звание профессора истории музыки, читал лекции сначала в Эколь Нормаль, а затем в Сорбонне. Совместно с Пьером Обри основал журнал «La Revue d’histoire et de critique musicales» в 1901 году. К его наиболее выдающимся музыковедческим трудам этого периода принадлежат монографии «Музыканты прошлого» (1908), «Музыканты наших дней» (1908), «Гендель» (1910).

Первым появившимся в печати художественным произведением Роллана была трагедия «Святой Людовик» — начальное звено драматического цикла «Трагедии веры», к которому также принадлежат «Аэрт» и «Настанет время».

Во время Первой мировой войны Роллан — активный участник европейских пацифистских организаций, публикующий множество антивоенных статей, которые вышли в сборниках «Над схваткой» и «Предтечи».

В 1915 году он награждён Нобелевской премией по литературе.

Роллан активно переписывался со Львом Толстым, приветствовал Февральскую революцию и одобрительно относился к Октябрьской революции в России 1917 года. Уже с 1920-х годов общался с Максимом Горьким, приезжал по приглашению в Москву, где имел беседы со Сталиным (1935). В 1937 году Роллан писал Сталину, пытаясь вступиться за репрессированных (Бухарина, Аросева), но не получил ответа.

Среди других его корреспондентов были Эйнштейн, Швейцер, Фрейд.

Признание Ромен Роллан получил на рубеже XIX и XX веков, после публикации и постановки цикла его пьес, посвящённых событиям Великой французской революции: «Волки», «Торжество разума», «Дантон», «Четырнадцатое июля».

Наиболее известное произведение — роман «Жан-Кристоф», состоящий из 10 книг. Этот роман принёс автору мировую славу и переведён на десятки языков. Цикл рассказывает о кризисе немецкого музыкального гения Жан-Кристофа Крафта, прототипом которому стали Бетховен и сам Роллан. Завязавшаяся дружба молодого героя с французом символизирует «гармонию противоположностей», а более глобально — мир между государствами.

Среди других его произведений нужно выделить цикл книг о великих деятелях: «Жизнь Бетховена» (1903), «Жизнь Микеланджело» (1907), «Жизнь Толстого» (1911). Позже, в последние годы жизни, он вернулся к теме Бетховена, завершив многотомный труд «Бетховен. Великие творческие эпохи».

В посмертно изданных мемуарах (Mémoires, 1956) ясно видна сплочённость взглядов автора в любви к человечеству.

В годы войны жил в оккупированном Везле, продолжая литературную деятельность, где и умер от туберкулеза.