Urodził się jako syn Adolfa Tetmajera i jego drugiej żony, Julii z Grabowskich. Uczęszczał do Gimnazjum św. Anny w Krakowie, gdzie przeniósł się w 1883 roku z rodziną. W latach 1884–1886 studiował na wydziale filozoficznym Uniwersytetu Jagiellońskiego. Zadebiutował w 1886 roku poematem prozą Illa, jednak prawdopodobnie jego faktycznym debiutem była nowela pt. "Rekrut" (tekst zaginął). W 1888 roku Tetmajer zdobył nagrodę literacką za wiersz ku czci Mickiewicza, a rok później za wiersz ku czci Kraszewskiego. W latach 1888–1893 podjął współpracę z pismami „Tygodnik Ilustrowany”, „Kurier Warszawski” i krakowskim „Czasem”. Wydał osiem serii Poezji, z których najbardziej wartościowe to druga (1894 rok), trzecia (1898 rok) i czwarta (1900 rok). Nastrojowa poezja Tetmajera odpowiadała dekadentom i bohemie młodopolskiej. Mieszkając w młodości w Ludźmierzu, poznał dobrze Podhale, Spisz, Liptów i Tatry. W latach 1881–1891 odbył wiele wycieczek w Tatry z bratem, Franciszkiem Henrykiem Nowickim, Karolem Potkańskim, Michałem Kirkorem, Klimkiem Bachledą, Tadeuszem Boyem-Żeleńskim, Januszem Chmielowskim, Jerzym Żuławskim. W 1892 roku wziął udział w pierwszym wejściu na Staroleśny Szczyt oraz Baniastą Turnię. Ponadto dokonał wraz z Tadeuszem Boyem-Żeleńskim i przewodnikami pierwszego odnotowanego wejścia na Furkot około 1889-1893 roku Po 1896 roku, z powodu problemów ze zdrowiem, nie zdobywał już szczytów Tatr, ale za to wędrował po dolinach tatrzańskich, a także po Podhalu. W 1902 roku taternicy nadali nazwę Przełęcz Tetmajera przełęczy między Gerlachem a Zadnim Gerlachem, a Towarzystwo Tatrzańskie nadało mu honorowe członkostwo. Zafascynowany góralskim folklorem napisał cykl opowieści Na skalnym Podhalu, a ponadto epopeję tatrzańską Legenda Tatr, składającą się z dwóch części: Maryna z Hrubego i Janosik Nędza Litmanowski. W 1896 roku przebywał w Heidelbergu, pełniąc funkcję osobistego sekretarza Adama Krasińskiego. Podróżował po Włoszech, Szwajcarii, Francji i Niemczech. Po I wojnie światowej mieszkał w Krakowie, Zakopanem, wreszcie osiadł na stałe w stolicy. W latach 1918–1919 interesował się sporem polsko-czechosłowackim o granicę w Tatrach i na Podtatrzu, brał udział w przygotowaniach do plebiscytu na Spiszu i Orawie; napisał na ten temat broszurę pt. O Spisz, Orawę i Podhale (1919 rok). Pełnił funkcję prezesa Towarzystwa Literatów i Dziennikarzy Polskich (1921 rok), w 1928 roku przyznano mu nagrodę literacką miasta Warszawy, a w 1934 roku został członkiem honorowym Polskiej Akademii Literatury. W roku 1931 obchodzono uroczyście czterdziestopięciolecie, a w 1937 roku pięćdziesięciolecie jego twórczości Ze względu na pogarszający się stan zdrowia (utrata wzroku i nasilająca się choroba umysłowa, będąca efektem kiły) musiał wycofać się z życia społecznego i twórczości literackiej. Miał zapewniony byt dzięki ofiarności społecznej oraz emerytury, finansowanej od 1925 przez miasto Bydgoszcz. W styczniu 1940 został przetransportowany z Hotelu Europejskiego na oddział chirurgiczny Szpitala Dzieciątka Jezus w Warszawie, gdzie zmarł 18 stycznia. Przyczyną zgonu (jak wykazała sekcja) był nowotwór przysadki mózgowej oraz niedokrwistość i niewydolność krążenia. Pochowano go wtedy zgodnie z jego życzeniem w grobie syna na cmentarzu Powązkowskim w Warszawie. Obecnie spoczywa na zakopiańskim Cmentarzu Zasłużonych na Pęksowym Brzyzku. Był przyrodnim, młodszym bratem Włodzimierza Tetmajera, a przez matkę, Julię z Grabowskich, kuzynem Tadeusza Boya-Żeleńskiego. Mimo że kilkakrotnie był zaręczony (m.in. z Laurą Rakowską, z myślą o której napisał wiersz A kiedy będziesz moją żoną), nigdy się nie ożenił. Ze związku z nieznaną z nazwiska aktorką miał nieślubnego syna Kazimierza Stanisława, do którego przez kilka lat, do roku 1906, nie przyznawał się. Później zaczął starać się o rozwój talentów syna, ten jednak, popadłszy w alkoholizm i zaraziwszy się chorobą weneryczną, w wieku 33 lat popełnił samobójstwo. Tetmajer miał kilkuletni romans z góralką Marią Palider, która była pierwowzorem Maryny z Hrubego z Legendy Tatr. Kazimierz Przerwa-Tetmajer walnie przyczynił się do debiutu literackiego Władysława Orkana. Nie tylko załatwił druk „Nowel”, ale napisał entuzjastyczną przedmowę i pochwałę młodszego od siebie o dziesięć lat autora