İstanbul Fatih'te babası Abdüllatif Suphi Paşa'nın konağında doğdu. Kastamonu'dan Mora'ya göç ettikleri belirtilen Kocamemioğulları ailesindendir. Dedesi Abdurrahman Sâmi Paşa, mutasarrıflık ve valiliklerde bulunmuş, 1856'da Osmanlı Devleti'nin ilk Maarif nazırı olmuştur. Babası Abdüllatif Suphi Paşa ise Rumeli müfettişliği, Suriye valiliği, Ticaret, Maarif, Maliye ve Evkaf nazırlığı yapmıştır. İbn Haldun'un Târîh'inin bir kısmını da Türkçe'ye tercüme etmiştir. Annesi Ülfet Havva Hanım, Kafkasya'dan İstanbul'a getirilmiş bir Çerkez kızıdır. Annesinin gençlik döneminde çektiği sıkıntıları "Annemin Derdi" başlıklı manzum hikâye tarzında yazdığı şiirinde anlatmıştır. Hamdullah Suphi'ye "Tanrıöver" soyadı, "Hamdullah"ın Türkçe karşılığı olarak Atatürk tarafından verilmiştir.

Çocukluk döneminde memleketin edebiyat, ilim, siyaset hayatının önde gelen mensuplarının ziyaret ettiği konakta gördükleri, dinledikleri yetişmesine önemli katkılar yapmıştır. Ayrıca özel hocalardan Türkçe, Arapça, Farsça ve Fransızca öğrenmiş tarih, felsefe, hukuk dersleri almıştır. İlk öğreniminin ardından girdiği Galatasaray Sultânîsi'nde yatılı olarak okurken, Küçük Said Paşa vasıtasıyla, II. Abdülhamid tarafından, Abdüllatif Suphi Paşa'nın çocuklarının bu okulda parasız okumaları hususunda bir irade çıkarılmıştır. Sultânîdeki eğitimini (1895-1904) okulun Türkçe bölümü imtihanlarını vererek tamamlar. İyi Fransızca bilgisi yanında I. Dünya Savaşı'ndan sonra gittiği Berlin'de Almanca'yı da öğrenmiştir.

1905-1907 yılları arasında Tütün İnhisarı Merkez İdaresi Tercüme Kalemi'nde, Defter-i Hâkanî Nezareti Mektûbî Kalemi mülazımlığında bulunduktan sonra öğretmenlik mesleğini seçip 1908'de Ayasofya Rüştiyesi'nde kitabet, mâ'lûmât-ı medeniye ve Fransızca dersleri okutmuştur. Sırası ile Dârülmuallimîn, Bahriye Mektebi, Dârülbedâyi ve Dârülfünun'da öğretmenlik yapmıştır. Halit Ziya, saraya başkâtip olduğunda Dârülfünun'da okutmakta olduğu hikmet-i bedâyi (estetik) derslerinin Hamdullah Suphi'ye verilmesini tavsiye etmiş, ders muavinliğine de Halit Fahri getirilmiştir. Okuttuğu dersin konuları içinde yer alan eserleri yerinde görmek ve araştırma yapmak üzere Maarif Nazırlığı'ndan gerekli izin ve yol harcını alarak 1911 yazında Atina, Floransa, Roma, Paris, Berlin ve Londra'da bulunan müzeleri ziyaret etmiştir. Yine bu ders vesilesiyle İstanbul dışındaki sanat eserlerini görmek üzere Romanya, Anadolu ve Rumeli'deki bazı şehirlere seyahat etmiş, Konya'da Selçuklu dönemi abidelerini incelemiştir. 1916'da Suriye Valisi Cemal Paşa'dan bölgedeki İslam eserlerini incelemek üzere aldığı davete Halide Edip ve romancı Muazzez Tahsin'le (Berkant) birlikte katılmıştır.

II. Meşrutiyet'in ardından kurulan (1912) Türk Ocağı'na, Yusuf Akçuraoğlu'nun aracılığı ile üye olur, Türk Ocağı'nın 18 Mayıs 1913'te yapılan kongresinde de başkanlığına getirilir. Tanrıöver, Türk Ocağı'nın İttihat ve Terakkî Partisi ile özdeşleşmesine mani olmaya çalışmış, ve partiler üstü kalmasına özen göstermiştir. 1918'de bir aylığına gittiği Almanya'da savaş sebebiyle dönüş yollarının kapanması üzerine bir yıla yakın kalmış, Mayıs 1919'da dönebilmiştir.

Yunanlılar'ın İzmir'e asker çıkarmasından sonra İstanbul'da Sultanahmet Meydanı'nda yapılan mitinglere konuşmacı olarak katılmış etkili hitabetiyle dikkat çekmiştir (1919-1920).

Osmanlı Mebusan Meclisi'nin 1920'de yeniden açılmasının ardından yapılan seçimlere Millî Türk Fırkası adayı olarak girmiş, Saruhan ve Antalya'dan seçilerek mecliste Felâh-ı Vatan Grubu'na katılmıştır. Osmanlı Mebusan Meclisi'nin çalışmalarına ara vermesinden sonra gizlice yola çıkıp 8 Nisan 1920'de Ankara'ya ulaşmış, 23 Nisan 1920'de açılan Büyük Millet Meclisi'nde Antalya milletvekili olarak yer almıştır.

Milletvekilliği üzerinde kalmak kaydıyla yeni kurulan Matbuat ve İstihbarat Müdüriyet-i Umûmiyesi'nin başına geçirilmiş, ilk Maarif Vekili Rıza Nur görevle Moskova'ya gidince Maarif vekili seçilmiştir (14 Aralık 1920). Bakanlığı döneminde kaynakların sınırlı olmasına rağmen merkez teşkilatında yeni bir düzenleme ile kütüphaneler, müzeler, güzel sanatlar olmak üzere üç şubesi bulunan Hars Müdüriyeti'ni kurdu. Kurtuluş Savaşı'nın en hareketli döneminde Ankara'da Maarif Kongresi'ni düzenledi (15 Temmuz 1921). Ankara'da bir tür halk eğitimi faaliyeti olarak açılan "Ali Dersler" programında sanat tarihi dersleri verdi. Bu dönemdeki asıl önemli hizmeti, Mehmet Akif tarafından İstiklal Marşı'nın hem yazılması hem de kabulü (12 Mart 1921) aşamasında oynadığı rol olmuştur.

20 Kasım 1921'de istifa ettiği Maarif vekilliğine 4 Mart 1925'te ikinci defa getirilmiş, 19 Aralık 1925'e kadar bu görevde kalmıştır. Bu dönemde Ankara Etnografya Müzesi'nin temeli atıldı. Zeki Velidi Togan, Sadri Maksudi Arsal, Fuat Tuktar, Ayaz İshaki başta olmak üzere Sovyetler'in egemenliği üzerine memleketlerinden ayrılan müslüman aydınlarının Türkiye'ye gelmelerini sağlayarak, bazılarını Telif ve Tercüme Heyeti azalığına tayin etti. Türk Ocağı'nın kapanmasına kadar olan dönemde siyasî muhacir olarak ülkeye gelen Türk önderlerin devletle olan işlerinin çözümü, geçim sıkıntılarının giderilmesi gibi hususlarda ilk başvurulan kişi oldu. Cafer Seydahmet Kırımer ve Mehmet Emin Resulzade çok yakın ilişkili olduğu şahsiyetlerdir.

Tekke, medrese ve türbelerin kapatılmasına karar verildiğinde, "Padişahların, büyük adamların türbeleri kapatılmamalıdır, bunları, Türklüğü yükseltmiş insanları unutturmak doğru değildir" diyerek tepki göstermiştir.

Cumhuriyet döneminde yönetim kadroları açısından devletle özdeş hale gelen Türk Ocağı, en kıdemli sivil toplum kurumu olarak Millî Eğitim Bakanlığı vasıtasıyla desteklenmiştir. Tanrıöver'in konuşmalarını topladığı Günebakan adlı eseri Türk Ocağı yayını olarak basılmış, Talim ve Terbiye Kurulu kararıyla Maarif Vekâleti tarafından satın alınarak eğitim kurumlarına dağıtılmıştır. Türk Ocağı'nın yayın organı Türk Yurdu'na abone olunarak dergi, okul kitaplıklarına gönderilmiştir. Bünyesinde oluşturulması kararlaştırılan tarih araştırmaları çalışma grubu (1930), daha sonra tüzük değişikliği ile Türk Tarih Heyeti'ne dönüşür.

Ancak 10 Nisan 1931'de toplanan kurultayda Türk Ocağı'nın feshine ve sahip olduğu bütün hakların Cumhuriyet Halk Partisi'ne devredilmesine karar verilince Tanrıöver Bakanlar Kurulu kararıyla Bükreş'e ortaelçi olarak tayin edilir (20 Mayıs 1931).

Görevi sırasında Romanya'da azınlık olarak yaşayan Kırım'dan ve Anadolu'dan göçen Türkler'in kültürel varlıklarını sürdürmelerine destek olmuştur. Besarabya bölgesindeki inançlı Türk asıllı hıristiyan Gagauzlar'la ilgilenmiş, eğitim seviyelerinin yükselmesi için Türkiye'den öğretmen, ders kitapları ve eğitim materyalleri temin etmiş, çok sayıda Gagauz öğrenci eğitim için Türkiye'ye gönderilmiştir. Türkiye'ye gelen öğrencilerin ekseriyeti memleketlerine dönmeyerek bürokraside önemli görevler üstlenmişlerdir. Tanrıöver'in Bükreş'teki görevi, Romanya'nın Kızılordu tarafından işgal edilmesine kadar sürer (5 Aralık 1944).

Tanrıöver 1945'te yapılan ara seçimde İçel milletvekili olarak parlamentoya girmiş, 1946 yılı seçimlerinde İstanbul'dan aday gösterilmiştir. Çok partili siyasî hayatın başlamasıyla (1946) hareketlenen siyasî ortamda parti içi (CHP) muhalefet grubunda yer almıştır. Toplumda tartışma konusu olan eğitimde din derslerine yer verilmesi hususunda yapıcı tutum takınır. 1946-1950 yılları gazetelerdeki makaleleri, mülakatları ile matbuat hayatının en verimli dönemi olarak kabul edilebilir. Türk Ocağı'nı yeniden canlandırmak için 1947'de Cumhuriyet Halk Partisi'nden istifa etmiş, 1950 seçimlerinde Manisa, 1954 seçimlerinde İstanbul'dan Demokrat Parti listesinden bağımsız olarak milletvekili seçilmiştir. Hürriyet Partisi listesinden katıldığı 1957 seçimlerinde başarılı olamamış, böylece siyasî hayatı sona ermiştir.

Fecr-i Âtî Edebî Encümeni'nin üyeliğini yapmış, şiir, hikâye ve yazıları Meşrutiyet döneminden itibaren Şûrâ-yı Ümmet, Yeni Gazete, Resimli Kitap, Servet-i Fünûn, Musavver Muhit, Türk Yurdu, Genç Kalemler, Davul, Cem, Hâkimiyet-i Milliye, İkdam gibi gazete ve dergilerde çıkmıştır. Mizahî yazılarında muhtelif müstearlar kullanmıştır. Dile verdiği önem, dilin millî birliği sağlamasındaki ağırlığından kaynaklanmaktadır.

10 Haziran 1966'da kalp krizi sonucu vefat etmiş, İstanbul Üniversitesi merkez binasında yapılan törenden sonra Merkezefendi Mezarlığı'nda toprağa verilmiştir.

Eserleri: 1. Dağyolu:1. Kitap (Ankara 1928). 2. Dağyolu: 2. Kitap (Ankara 1931): 3. Günebakan (Ankara 1929). 4. Seçmeler (haz. Mustafa Necati Sepetçioğlu, İstanbul 1971): 5. Bütün Şiirler (haz. Halim Seraslan, Konya 2007).