Рэй Брэдбери родился 22 августа 1920 года в городе Уокиган, штат Иллинойс. Второе имя - Дуглас - он получил в честь знаменитого актёра того времени Дугласа Фэрбенкса.

Во время Великой депрессии в 1934 году семья Брэдбери переехала в Лос-Анджелес, приняв приглашение родственника семьи, позднее ставшего прототипом дядюшки Эйнара и носящего то же имя. Там Рэймонд в 1938 году окончил среднюю школу. Три последующих года своей жизни юноша провёл, продавая газеты на улицах Лос-Анджелеса. Из-за затруднённого материального положения семьи денег на высшее образование не было, и Брэдбери так и не смог поступить в колледж. Но отсутствие дальнейшего образования не сильно помешало ему в жизни, о чём писатель упомянул в своей статье «Как вместо колледжа я закончил библиотеку, или мысли подростка, побывавшего на луне в 1932-м».

Брэдбери впервые попробовал себя в литературе в двенадцать лет, когда написал продолжение к «Великому воину Марса» Э. Берроуза. Писатель упомянул в одном из интервью, что из-за бедности в то время просто не мог позволить купить себе книгу, и тогда сам решил вообразить, что может быть дальше. Брэдбери признавал влияние Берроуза на своё творчество в частности, Марсианские хроники Брэдбери не были бы написаны, не прочти он Берроуза.

К двадцати годам Рэй твёрдо решил стать писателем. Примечательно, что первая его публикация - это стихотворение «Памяти Вилла Роджерса», которое было опубликовано в уокиганской газете в 1936 году. В других своих ранних работах Брэдбери имитировал стиль викторианской прозы Эдгара По, пока Генри Каттнер, которому он показывал свои тексты, не посоветовал ему пересмотреть приоритеты в творчестве.

В 1937 году Брэдбери вступил в лос-анджелесскую «Лигу научных фантастов», которая была одним из многих объединений молодых писателей, активно возникавших в возрождающейся после Великой Депрессии Америке. Рассказы Брэдбери начали публиковаться в дешёвых журналах, печатавших множество фантастической прозы, часто недостаточно качественной.

В то время Брэдбери много работал, постепенно оттачивая литературное мастерство и формируя индивидуальный стиль. В 1939-1940 гг. он издавал мимеографический журнал «Футуриа фантазия», в котором впервые стал размышлять о будущем и его опасностях. Всего за два года вышло четыре номера этого журнала. К 1942 году Брэдбери окончательно перестал продавать газеты и полностью перешел на литературный заработок, создавая до 52 рассказов в год. Тогда Брэдбери также активно следил за развитием науки и техники, посетил Всемирную выставку в Чикаго и Всемирную выставку в Нью-Йорке (1939).

Брэдбери продолжал писать рассказы, лучшие из которых вскоре были опубликованы в первом сборнике, названном «Тёмный карнавал». Издание однако было встречено публикой без особого интереса. Спустя три года появился сборник «марсианских» рассказов, составивший роман «Марсианские хроники», который стал первым настоящим коммерчески успешным литературным творением Брэдбери. Писатель потом признавался, что считает «Хроники» своей лучшей книгой. Когда Рэй вез этот сборник в Нью-Йорк к литературному агенту Дону Конгдону, у него не было денег даже на поезд: пришлось ехать на автобусе, а с Конгдоном он связывался исключительно по телефону бензоколонки, находившейся напротив его дома. Но уже во вторую поездку в Нью-Йорк Брэдбери встретили поклонники его творчества: во время остановки в Чикаго они хотели получить автограф к первому изданию «Марсианских хроник».

Всемирная слава пришла к Брэдбери после издания романа «451 градус по Фаренгейту» (англ. Fahrenheit 451) в 1953 году. Роман впервые был опубликован в недавно появившемся журнале Playboy. В романе Брэдбери показал тоталитарное общество, в котором любые книги подлежат сожжению.

В 1966 году режиссёр Франсуа Трюффо экранизировал роман, выпустив полнометражный фильм «451 градус по Фаренгейту».

Став популярным писателем, Брэдбери продолжал активно писать, работая по несколько часов каждый день. В 1957 году вышла его книга «Вино из одуванчиков», к которой затем он написал продолжение под названием «Лето, прощай!». Однако, редакторы отказались печатать продолжение, сославшись на «незрелость» текста: писатель выпустил вторую часть лишь в 2006 году, спустя полвека после первой.

Следующий роман Брэдбери - «Надвигается беда», также известный как «Что-то страшное грядет», вышел в 1962 году. По-английски название звучит как «Something wicked this way comes», что отсылает к «Макбету» Шекспира, к фразе из четвёртого акта, произнесённой ведьмой. Ведьма говорит о симпатии ко злу, которое ведьмы пробудили в Макбете; также и герой Брэдбери Чарльз Хэллуэй рассуждает о симпатии ко злу, всегда скрывающейся в сердцах, открытых для ещё большего зла, у людей, сдавшихся и променявших «что-то на ничего», превративших себя в абсурдных персонажей, питающихся болью и страхом других.

Некоторые из своих ранних рассказов Брэдбери в 1984 году переиздал в специальном сборнике «Воспоминание убийства» (англ. A Memory of Murder), а позже опубликовал детективный роман «Смерть - дело одинокое» (англ. Death Is a Lonely Business, 1985). Также в то время на кабельном телевидении начал выходить сериал «Театр Рэя Брэдбери», в котором были экранизованы многие рассказы писателя. В этот период жизни Брэдбери получил множество наград в области литературы и искусства в целом.

В 79 лет Брэдбери перенёс инсульт, после чего все последние годы жизни был прикован к инвалидному креслу, однако сохранял присутствие духа и чувство юмора. В интервью на вопрос про своё девяностолетие Брэдбери ответил так:

Знаете, а девяносто лет – это вовсе не так круто, как я думал раньше. И дело не в том, что я езжу по дому в кресле-каталке, застревая на поворотах... Сотня просто звучит солиднее. Представьте себе заголовки во всех газетах мира - «Брэдбери исполнилось сто лет!». Мне сразу выдадут какую-нибудь премию: просто за то, что я ещё не умер.

Брэдбери скончался после продолжительной болезни 5 июня 2012 года в Лос-Анджелесе в возрасте 91 года.