Tristan Murail obtient des diplômes d’arabe classique et d’arabe maghrébin à l’École nationale des langues orientales vivantes, ainsi qu’une licence ès sciences économiques et le diplôme de l’Institut d’études politiques de Paris. En 1967, il entre au Conservatoire national supérieur de musique de Paris dans la classe d'Olivier Messiaen et y obtient un premier prix de composition en 1971. La même année, il reçoit le Prix de Rome et passe deux ans à la Villa Médicis. Durant ses années de formation, ses modèles se trouvent parmi les esthétiques qui s’attachent à créer des mouvements globaux de masses, de volumes ou de textures sonores : la musique électroacoustique, les œuvres de Iannis Xenakis, de Giacinto Scelsi et surtout de György Ligeti.

À son retour à Paris en 1973, il fonde, avec Michaël Lévinas et Roger Tessier, le collectif de musiciens L’Itinéraire, qui deviendra un laboratoire précieux pour ses recherches dans le domaine de l’écriture instrumentale, de l’emploi de l’électronique en temps réel et de la composition assistée par ordinateur. La même année, il compose La Dérive des continents et Les Nuages de Magellan qui marquent son premier style ; des pièces s’apparentant à un magma sonore ininterrompu, sans articulation ni réelle évolution. Sables (1974) et Mémoire/Erosion (1975-1976) marqueront ensuite deux étapes successives du compositeur vers l’épure.

En 1980, les compositeurs de L’Itinéraire participent à un stage d’informatique musicale à l’Ircam. Cette expérience aura un impact décisif sur l’évolution de la musique de Tristan Murail qui commence à utiliser l’informatique pour approfondir sa connaissance des phénomènes acoustiques. Il compose Désintégrations en 1982-1983, sa première expérience de superposition de sons instrumentaux et de sons de synthèse. Avec Serendib (1991-1992) et d’autres œuvres de cette époque (La Dynamique des fluides, La Barque mystique), sa musique atteint un stade extrême de morcellement, d’articulation, et d’imprévisibilité du déroulement. De 1991 à 1997, il collabore avec l’Ircam où il enseigne la composition et participe au développement du programme d’aide à la composition « Patchwork ». Il enseigne également dans de nombreux festivals et institutions, notamment aux cours d’été de Darmstadt, à l’Abbaye de Royaumont et au Centre Acanthes.

Parmi ses œuvres récentes, Légendes urbaines, est créé en novembre 2006 à la Cité de la musique à Paris par l'Ensemble intercontemporain sous la direction de Jonathan Nott,  Contes cruels – commande de la Radio Néerlandaise pour le Festival Output –, en septembre 2007 au Muziekgebouw d'Amsterdam. En moyenne et extrême raison, pour quinze instruments et sons électroniques, est créé en avril 2009 à Montréal par le Nouvel Ensemble Moderne dirigé par Lorraine Vaillancourt et Les Sept Paroles, pour orchestre, chœur et électronique, en avril 2010 à Amsterdam par le chœur et l’orchestre de la Radio néerlandaise dirigé par Marin Alsop. En 2011, Murail achève avec La Chambre des cartes le cycle de six pièces pour ensemble, Portulan, commencé en 1998 avec Feuilles à travers les cloches. Le Désenchantement du monde, concerto symphonique pour piano, est créé par le Symphonieorchester des Bayerischen Rundfunks sous la direction de George Benjamin lors des Musica Vica de Munich en 2012. La troisième pièce de son cycle Reflections / Reflets, commencé en 2013, est créée par le WDR Sinfonieorchester Köln sous la direction de Sylvain Cambreling en 2017 (Reflections / Reflets III - Vents et marées / Tidal winds).

Tristan Murail est professeur de composition à l’Université Columbia à New York de 1997 à 2010. En mai 2010, il est choisi pour être membre du jury du Prix international de composition Toru Takemitsu de Tokyo ; il est appelé également à animer des ateliers de composition et des conférences et à donner des concerts au Centre Acanthes de Metz en juillet 2010. En été 2011, il est l'invité d'honneur de la quatorzième édition du festival Messiaen à La Grave. Il enseigne aux cours d'été de Darmstadt, à Royaumont, au Conservatore de Shangai ainsi qu'à l'Université Mozarteum de Salzbourg.