Xuất thân trong một gia đình viên chức, cha nhạc sĩ Văn Cao vốn là giám đốc nhà máy nước Hải Phòng. Thuở nhỏ, Văn Cao học ở trường tiểu học Bonnal, sau lên học trung học tại trường dòng Saint Josef, là nơi ông bắt đầu học âm nhạc. Năm 1938, khi mới 15 tuổi, vì gia đình sa sút, Văn Cao bỏ học sau khi kết thúc năm thứ hai bậc thành trung. Ông làm điện thoại viên ở sở Bưu điện tại Hải Phòng, nhưng được một tháng thì bỏ việc.

Cuối năm 1930 khi tân nhạc Việt Nam ra đời. Tại Hải Phòng, Văn Cao tham gia vào nhóm Đồng Vọng của Hoàng Quý cùng Tô Vũ, Đỗ Nhuận, Canh Thân, … và bắt đầu sáng tác ca khúc đầu tay là Buồn tàn thu vào năm 16 tuổi. Cùng các thành viên nhóm Đồng Vọng ông còn sang tác các ca khúc như Gió núi, Gò Đống Đa, Bến xuân, Suối mơ... Cũng trong thời gian ở Hải Phòng, nhạc sĩ Văn Cao làm quen với ca sĩ Phạm Duy (khi đó là ca sĩ trong gánh hát Đức Huy). Phạm Duy chính là người đã hát Buồn tàn thu, giúp ca khúc trở nên phổ biến.

Năm 1940, nhạc sĩ Văn Cao có một chuyến đi vào miền Nam. Ở Huế, ông đã viết bài thơ đầu tay Một đêm đàn lạnh trên sông Huế. Sau đó 2 năm, Văn Cao rời Hà Nội lên Hải Phòng thuê một căn gác nhỏ tại số 171 phố Mongrant và theo học dự thính tại Cao đẳng Mỹ thuật Đông Dương. Văn Cao còn viết truyện, làm thơ đăng trên Tiểu thuyết Thứ Bảy. Trong 2 năm 1943 và 1944, Văn Cao hai lần xuất hiện trong triển lãm Salon Unique tổ chức tại nhà Khai trí Tiến Đức, Hà Nội với các bức tranh sơn dầu: Cô gái dạy thì, Sám hối, Nửa đêm. Đặc biệt tác phẩm Cuộc khiêu vũ những người tự tử được đánh giá cao và gây chấn động dư luận. Tuy được báo chí khen ngợi, nhưng tranh của Văn Cao không bán được. Ông trải qua một thời gian dài ở Hà Nội trong thiếu thốn và phải cùng bạn bè đứng bán các tác phẩm của mình trên các đường phố Hà Nội.

Cuối năm 1944, Văn Cao tham gia Việt Minh, nhận nhiệm vụ đầu tiên là sáng tác một hành khúc. Văn Cao đã sáng tác ca khúc đó trong nhiều ngày tại căn gác số 171 phố Mongrant và đặt tên cho tác phẩm là Tiến quân ca. Tiến quân ca được in trên trang văn nghệ của báo Độc Lập tháng 11 năm 1944. Ngày 13 tháng 8 năm 1945, Hồ Chí Minh đã chính thức duyệt Tiến quân ca làm quốc ca của nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa. Văn Cao tham gia hoạt động trong đội Trừ gian của Việt Minh. Ông viết và phụ trách ấn loát cơ quan Phan Chu Trinh, in sách báo, truyền đơn. Vào cuối mùa xuân năm 1945, Văn Cao đã có mặt trực tiếp tham dự vụ ám sát nổi tiếng, đó là vụ giết ông Đỗ Đức Phin tại Hải Phòng, người bị Việt Minh kết án là Việt gian theo Nhật. Sau vụ ám sát, Văn Cao tạm lánh một thời gian để tránh mật thám Pháp và Nhật theo dõi. Trở về Hà Nội, Văn Cao còn tiếp tục tham gia vụ ám sát Cung Đình Vận ở gần rạp hát cuối phố Huế nhưng không thành công.

Sau Cách mạng tháng Tám năm 1945, Văn Cao làm phóng viên và trình bày cho báo Lao Động.
Năm 1946, Văn Cao được cử cùng Hà Đăng Ấn chuyên chở vũ khí và tiền vào mặt trận Nam Bộ. Sau đó chính thức được mời tham gia Hội Văn hoá Cứu quốc và được bầu là Ủy viên Chấp hành, Văn Cao hoạt động ở liên khu III, phụ trách tổ điều tra của công an Liên khu và viết báo Độc Lập. Đầu năm 1947, ông được cử phụ trách một bộ phận điều tra đặc biệt của công an Liên khu 10 ở biên giới phía bắc. Tại đây ông được giao nhiệm vụ kết nghĩa với vua Mèo để lập ra một phòng tuyến bảo mật chống sự tràn sang của quân Trung Hoa Quốc dân Đảng khi thua trận. Ở Lào Cai, nhạc sĩ Văn Cao còn mở một quán bar để làm địa điểm theo dõi. Tháng 3 năm 1948, Văn Cao được kết nạp Đảng Cộng sản Đông Dương. Cuối năm 1949, Văn Cao thôi làm báo Văn Nghệ chuyển sang phụ trách Đoàn Nhạc sĩ Việt Nam. Thời kỳ này, ông tiếp túc sáng tác các ca khúc nổi tiếng khác như Làng tôi (1947), Ngày mùa (1948), Tiến về Hà Nội (1949)… và đặc biệt là Trường ca Sông Lô (1947).