生于东京。1943年毕业于东京大学医学部，1950年获东京大学医学博士学位。曾任东京都立中央图书馆馆长，上智大学、不列颠哥伦比亚大学、柏林自由大学教授，以及立命馆大学、耶鲁大学、日内瓦大学、布朗大学、剑桥大学、加利福尼亚大学客座教授等职。

1946年以与文学评论家中村真一郎、福永武彦合著长篇文学评论《1946：文学的考察》为契机，正式登上日本文坛，从此立足于国际视野展开艺术和社会评论。20世纪50年代中期，提出“日本文化杂种论”“日本集团主义文化”并推出力作《日本文学史序说》，成为日本思想和文学研究的经典，并荣获大佛次郎奖。

著有《日本文学史序说》《日本文化的杂种性》《日本文化的时间与空间》《近代日本文明史的位置》《艺术论集》《艺术精神史的考察》以及自传体小说《羊之歌》、杂文《夕阳妄语》（全4卷）等。平凡社出版《加藤周一著作集》（全24卷），其中第13卷收录了加藤周一的第一部长篇小说《一个晴朗的日子里》。岩波书店出版《加藤周一自选集》（全10卷）。其作品有着广阔的全球视野。其著作被翻译成多国文字，在全世界拥有极为广泛的读者。在学科越分越细的学界，他的知识却不为学科所拘，因而被作家大江健三郎称为“日本有数的大知识分子”。

加藤周一晚年和大江健三郎等学者共同发起组成了“九条会”，把日本宪法第九条视为20世纪人类的重要文献，反对修改这一禁止日本自卫队行使武力的和平条款。