1685. március 21-én született egy nagy múltú eisenachi zenészcsalád nyolcadik gyermekeként. Tízévesen maradt árván, ettől kezdve legidősebb bátyja nevelte. Szépen csengő szoprán hangja révén kerülhetett gimnáziumba, amikor hangja mutálni kezdett,
szükség esetén hegedült vagy orgonált, és megtanulta az orgonaépítés művészetét, az általa túl nehéznek ítélt kottákat éjszakánként, holdfénynél másolta magának.
Tanulmányait követően számos városban működött orgonistaként és karmesterként, a népes Bach-famíliából ő tett szert a legnagyobb hírnévre. 1707-ben Mühlhausenben születtek első kantátái és egyik legismertebb műve, a d-moll toccata és fúga. A weimari időszakra (1708-1717) esett első nagy alkotó periódusa: itt írta számos orgonaművét és kantátáját, és kezdett tanítani.
A nagyherceg annyira megkedvelte, hogy amikor Bachot Köthenbe hívták, csak négyhetes szobafogság után engedte el.
Ott írta zenekari szvitjeit, csembaló- és hegedűversenyeinek többségét, a Das Wohltemperierte Klavier első darabjait, valamint a brandenburgi őrgróf megrendelésére a hat Brandenburgi versenyt. A kottákat a megrendelő korai halála miatt sokáig csomagolópapírnak adták el, és csak véletlenül menekültek meg, amikor egy szakértőhöz kerültek.
Bach 1723-ban nyerte el a lipcsei Tamás-templom kántori és zeneigazgatói állását, de csak több jelölt visszalépése után.
A helyi tanács úgy értékelte, hogy a legkülönb helyett a középszerrel kellett megelégedniük, sem művészetét, sem zsenialitását nem értették és nem értékelték.
Helyzete csak évek múlva rendeződött, és végül 27 éven át tevékenykedett a templom karnagyaként. Iskolai és templomi munkája mellett 1729-ben átvette a Collegium Musicum vezetését is, ami még az ő rendkívüli teherbírását is próbára tette. Hetente kellett új kantátákat írnia, emellett egyházi és világi zenék sorát komponálta, köztük a János- és a Máté-passiót, a monumentális h-moll misét, a Karácsonyi oratóriumot, a Kávé- és a Parasztkantátát, a Goldberg-variációkat. Utóbbi előadója, Bach egyik tehetséges tanítványának nevét őrzi, 1955-ös Glenn Gould-féle felvétele minden idők legismertebb zongoralemeze.
Bach az 1740-es évektől sokat utazott II. (Nagy) Frigyes porosz király potsdami udvarába, ahol fia, Carl Philipp Emanuel udvari zenészként szolgált, itt született a Musikalischer Opfer ciklus a zenekedvelő király által feladott témákra. Élete utolsó éveiben cukorbetegségével összefüggő szembaj kínozta, a befejezetlenül maradt A fúga művészetét már csaknem vakon komponálta.
A hangszeres polifónia legnagyobb mestere, a zenetörténet óriása 1750. július 28-án halt meg Lipcsében. Két házasságából húsz gyermeke született, közülük több hozzá hasonlóan a zenei pályát választotta.
Halálát követően több műve elveszett, egy időre őt is elfeledték, és csak Mendelssohn "fedezte fel".
Kortársai elsősorban a kiváló csembalóművészt, orgonistát és orgonaszakértőt tisztelték személyében, és nem a máig csodált művek komponistáját. Az opera kivételével minden műfajban alkotott, kedvencei a korálok, a kánonok és a fúgák voltak. Munkásságának hatása felmérhetetlen, a B-A-C-H motívumot többen is feldolgozták. A műveinek azonosítására szolgáló BWV (Bach Werke Verzeichnis) jegyzék több mint ezer tételre terjed ki. A szerénységéről ismert zenei zseni titkának a szorgalmat tartotta, és úgy vélte:
bárki viheti annyira mint ő, ha kitartóan gyakorol.
Bach emlékére 1904 óta minden évben fesztivált, 1950 óta pedig nemzetközi zenei versenyt rendeznek Lipcsében, ahol 2010-ben adták át a megújult Bach-archívumot és a munkásságát bemutató, kibővített múzeumot, amelybe öt évvel később került vissza a komponista leghíresebb, Elias Gottlob Haussmann által 1746-ban festett portréja. 2014-ban előkerült egy másik, sokáig eltűntnek hitt portréja is az 1730-as évekből, amely az eisenachi szülőházában működő múzeumban látható. A Nemzetközi Bach Akadémiát 1981-ben alapította Stuttgartban a zenetudós Helmuth Rilling, aki 2000-ben 172 CD-n adta közre Bach teljes életművét. Bach születésének 333. évfordulóján, 2018-ban Bach 333 címmel 222 CD-lemezen, több mint 750 neves művész és zenekar tolmácsolásában jelent meg összes műve. A kiadvány 280 órányi zene mellett többek között két könyvet és Sir John Eliot Gardiner, a Bach Archívum elnökének a komponista életéről készült filmjét is tartalmazza.
A h-moll mise kézirata 2015-ben felkerült az UNESCO világ emlékezete programjának listájára.
Születésnapjához kapcsolódva a világ számos városában megrendezik a Bach in the Subways (Bach az aluljárókban) nevű eseményt, amelyet 2010-ben Dale Henderson amerikai csellista indított el New Yorkból - március 21-én aluljárókban és köztereken való zenéléssel, nyitott koncerttermekben és templomokban felcsendülő muzsikával ünneplik a zenetörténet egyik legnagyobb alakját. Az eseménysorozathoz Magyarország a Bach mindenkinek fesztivállal csatlakozott 2015-ben.
Magyarországon 2014-ben Cegléden adták át az első olyan orgonát, amely mindenben hűen követi a Bach által ismert és használt barokk hangszerek mintáját. Budapesten, a Hold utcai református templomban a reformáció 500. évfordulóján, 2017-ben avatták fel a Bach-orgonát, amely a zeneszerző korabeli historikus hangszerekhez hasonló adottságokkal rendelkezik. Budapesten 1990 óta szerveznek június első hetében Bach-fesztivált. A Müpában 2014-ben Bach műveiből rendezték meg a hagyományos zenei maratont, az épületben születésének 330. évfordulója alkalmából 2015-ben 24 órán át szólt orgonamuzsikája.