GS,TSKH Tô Ngọc Thanh sinh năm 1934 tại Hà Nội, là con trai của danh họa Tô Ngọc Vân. Từ nhỏ, dù được học mỹ thuật, nhưng ông đã sớm bộc lộ đam mê về âm nhạc và lựa chọn âm nhạc là hướng đi của đời mình.
Ông thi tuyển và theo học khóa I Trường âm nhạc Việt Nam (1956-1959), tốt nghiệp loại giỏi.
Năm 1978, ông bảo vệ xuất sắc Luận án và được phong học vị Phó Tiến sĩ (nay là Tiến sĩ) tại Nhạc viện Quốc gia Bulgaria. Năm 1988, ông tiếp tục bảo vệ thành công Luận án và được phong học vị Tiến sĩ Khoa học về chuyên ngành Âm nhạc tại Nhạc viện Quốc gia Bulgaria.
Ông được phong Phó Giáo sư năm 1984 và được phong Giáo sư năm 1991.
Cả cuộc đời GS Tô Ngọc Thanh gắn bó với công việc nghiên cứu về văn hóa dân gian. Ông đã cho ra đời nhiều công trình nghiên cứu như: “Âm nhạc dân gian Thái Tây Bắc” (1969), “Âm nhạc dân gian Mường” (1971); “Âm nhạc dân gian nhóm tộc người Nam Á ở Việt Nam” (1979); “Tìm hiểu âm nhạc cổ truyền”, viết chung với nhạc sĩ Hồng Thao (1982); “Fonclo Bahna”, do ông chủ biên (1988), “Nhạc cụ các dân tộc thiểu số Việt Nam” (1995), tư liệu “Âm nhạc cung đình Việt Nam” (2000); “Ghi chép về văn hóa và âm nhạc” - công trình đồ sộ, dày hơn 900 trang…
GS,TSKH Tô Ngọc Thanh còn nghiên cứu, sưu tầm, chỉnh lý, nâng cao, đưa vào đời sống văn hóa cộng đồng 12 tập dân ca phổ biến tiêu biểu của đồng bào các dân tộc thiểu số và 30 tập dân ca chuyên đề từng dân tộc.
Trong sự nghiệp của mình, GS,TSKH Tô Ngọc Thanh từng trải qua nhiều vai trò như Phó Viện trưởng rồi Viện trưởng Viện Nghiên cứu Văn hóa Nghệ thuật; Tổng Thư ký, Chủ tịch Hội Văn nghệ dân gian Việt Nam; Tổng Thư ký, Phó Chủ tịch Liên hiệp các Hội Văn học-Nghệ thuật Việt Nam, Ủy viên Ban Thường vụ Hội đồng Quốc tế Âm nhạc Truyền thống ICTM của UNESCO.
Năm 2001, GS Tô Ngọc Thanh được trao Giải thưởng Nhà nước về Văn học nghệ thuật.
GS,TSKH Tô Ngọc Thanh còn được Nhà nước tặng thưởng nhiều huân, huy chương cao quý như Huân chương Độc lập hạng Nhì (2019), Huân chương Kháng chiến chống Pháp hạng Nhì, Huân chương Kháng chiến chống Mỹ hạng Nhất, Huân chương Lao động hạng Nhất (2001)…