Nació en Verona (Galia Transpadana), en una familia influyente (su padre era amigo de Julio César, al que Catulo sin embargo despreciaba, quizá a causa de la sequedad de su estilo literario).
Estudió en Roma, pasó allí varias temporadas, al fin se estableció en la ciudad en el año 62 a. C. y se introdujo en los cenáculos literarios de sus amigos, los llamados despectivamente por Cicerón poetas neotéricos: Helvio Cinna, Licinio Calvo, Valerio Catón, Cornificio, Furio Bibáculo y los eruditos Marco Terencio Varrón y Cornelio Nepote. Los neotéricos se caracterizaban, en primer lugar, por una gran afición a la poesía griega alejandrina de Calímaco y, en segundo lugar, por el deseo de cultivar una lírica refinada y concisa, helenístico-alejandrina, de un perfecto acabado formal.
Se enamoró de una dama muy bella y licenciosa, Clodia, casada con Quinto Cecilio Metelo Céler, gobernador de la Galia Cisalpina, y hermana del tribuno de la plebe Publio Clodio Pulcro, enemigo de Cicerón. Clodia, sin embargo, que aparece en sus versos con un nombre de valor métrico equivalente, Lesbia1 (que declara la común afición de los amantes a la poetisa griega Safo de Lesbos), tras concederle sus encantos, le fue infiel a la primera ocasión y dejó a Catulo debatiéndose entre el odio y el amor, como expresa en su conocido dístico: Odi et amo. Quare id faciam? fortasse requiris / Nescio, sed fieri sentio et excrucior («Odio y amo. ¿Cómo es posible?, preguntarás acaso. No lo sé, pero siento que me ocurre y me atormenta»).
De la violenta pasión que despertó en Catulo tardó en recuperarse a duras penas: Una salus haec est, hoc est tibi pervincendum. / Hoc facias sive id non pote, sive pote! («Una sola salvación hay para ti: esto debe superarse. ¡Hazlo puedas o no puedas!»). Pero la agonía se prolongó merced a los arrepentimientos de la amante, mera excusa para nuevas y fallidas reconciliaciones: Nulli se dicit mulier mea nubere malle quam mihi, / non si se Iuppiter ipse petat. / Dicit: sed mulier cupido quod dicit amanti, / in vento et rápida scribere oportet aqua. («Con nadie más que conmigo dice mi amada que se uniría, / ni aunque Júpiter mismo se lo pidiera. / Eso dice: pero lo que dice la mujer enamorada a un amante / conviene escribirlo en el viento y en el agua rápida»). Fue una inspiración excepcional para uno de los corpora de lírica amorosa más intensos de todos los tiempos. Lateralmente, en sus poemas también se refleja, directa o indirectamente, una relación homosexual con un joven de nombre Juvencio (poemas XXIV y XXIX Ad Iuventium). Murió a los 30 años de edad según algunos estudiosos, según otros a los 33.
La originalidad de Catulo consiste en haber sido el primero en haber iniciado la elegía romana con sus rasgos específicos de subjetividad, autobiografismo e intimidad, menos presentes en sus correlatos griegos.
