Trabzon'un Çaykara ilçesinin Soğanlı köyünde doğdu. Babası Hasan Ağa'dır (1916). Annesi Şahsene Hanım'dır. İlkokulu Çaykara'da, ortaokulu Bayburt'ta okudu. Lisenin ilk iki sınıfını Trabzon'da, son senesini ise Ankara Erkek Lisesi'nde tamamladı (1935). Aynı yıl açılan Ankara Üniversitesi Dil ve Tarih-Coğrafya Fakültesi'nin yatılı imtihanlarını kazanarak fakültenin ilk talebelerinden oldu (9 Ocak 1936). Burada Mehmet Fuat Köprülü'nün öğrencisi olan Turan'ın 1939 yılında "Satuk Buğra Han Menkıbesi ve Tarih" ile "İlig Unvanı Hakkında" adlı iki makalesi yayımlandı.

1940 yılında bir çeşit burs olan "ilmî yardımcı" kadrosuyla mezun olduğu fakültede çalışmaya başladı. 10 Kasım 1941 tarihinde Köprülü'nün danışmanlığında Türkiye'deki ilk tarih doktorası olan 12 Hayvanlı Türk Takvimi isimli tezini savundu ve doktor unvanını aldı. Fuat Köprülü'nün siyasete atılması (1941) üzerine Ortaçağ Türk İslam tarihi derslerini vermekle görevlendirildi. Ardından 24 Ağustos 1942 tarihinde fakültenin açtığı "orta zamanlar tarihi" asistanı oldu. Orta Zaman Türk Devletlerinde Türkçe Unvanlar konulu çalışmasıyla 28 Aralık 1943'te doçent unvanını aldı.

1944 yılında "Irkçılık-Turancılık Davası"na temel teşkil eden 3 Mayıs olaylarından hemen sonra Hüseyin Nihal Atsız'ı fakültedeki odasında misafir ettiği için Millî Eğitim Bakanlığı tarafından açığa aldı (6 Mayıs 1944). Cumhuriyet Halk Partisi Genel Sekreteri Memduh Şevket Esendal ve Tahsin Banguoğlu'nun müdahalesiyle 30 Kasım 1944 tarihinde fakültedeki görevine döndü. 16 Kasım 1946'da Ankara'da yedek subay olarak askerlik yaptı.

1948 yılında akademik çalışmalar yapmak üzere İngiltere'ye gitti. 1950 yılına kadar Fransa ve İngiltere'de bulundu. Burada Milletlerarası Şarkiyat ve Türkiyat Kongresi'nde sunduğu "Türkiye Selçukluları'nda Toprak Hukuku, Mîrî Topraklar ve Hususi Mülkiyet Şekilleri" başlıklı tebliği büyük ilgi gördü. 1949'da Türk Tarih Kurumu'na aslî üye seçilen Osman Turan, 1951'de profesör unvanını aldı. 1954 yılında siyasete girdi ve Trabzon'dan Demokrat Parti milletvekili seçildi. 6 Kasım 1955'te de Türk Ocağı'nın Ankara Şubesi reisi oldu ve ardından umumi reisliğine seçildi (17 Mayıs 1959). 20 Aralık 1956 tarihinde Sultan II. Abdülhamid'in torunlarından Sâtıa Sultan ile evlendi. 1957 seçimlerinde tekrar milletvekili oldu.

1960 darbesinden sonra Yassıada'daki yargılamalardan beraat etti. Fakülteye dönmek istediyse de çabaları sonuçsuz kaldı. 27 Mayıs'tan sonra kurulan Adalet Partisi saflarına katıldı ve 1964'te partinin teşkilattan sorumlu başkan yardımcısı oldu. 1965'te de Adalet Partisi Trabzon milletvekili seçildi. 1966'da tekrar Türk Ocağı genel başkanlığına seçildi ve bu görevini 1973 yılına kadar sürdürdü. Bu dönemde Türk Yurdu dergisi Osman Turan'ın gayretleriyle Türk fikir ve kültür hayatına önemli katkılarda bulundu. Bu sırada Adalet Partisi Genel Başkanı Süleyman Demirel ile fikrî konularda uzlaşmazlığa düşmesi ve parti yöneticileriyle yaşadığı bu anlaşmazlık yüzünden partiden ihraç edildi (1967). 1969 seçimlerine ise Trabzon'dan Milliyetçi Hareket Partisi'nin adayı olarak katıldı fakat seçilemedi ve 1 Mayıs 1972 tarihinde emekliye ayrıldı. 1972'de hiçbir gerekçe gösterilmeden Türk Tarih Kurumu üyeliğinden çıkarıldı. Osman Turan Selçuklu İktisat Tarihi adlı kitabını tamamlayamadan 17 Ocak 1978'de altmış dört yaşında vefat etti. Mezarı Silivrikapı Ayvalık Kabristanı'ndadır.

Yakın çevresi, hocanın özel hayatında son derece mütevazi; ancak ilmî ve fikrî tartışmalarda, bilhassa millî konularda son derece kararlı olduğunu ifade ederler. Bir ilim ve fikir adamı olarak tamamı ana kaynaklara dayanan ve alanında ilk olma özelliği taşıyan eserlerinin en önemlileri Selçuklular Tarihi ve Türk-İslâm Medeniyeti (Ankara 1965), Türk Cihân Hâkimiyeti Mefkûresi Tarihi (I-II, İstanbul 1969), Selçuklular Zamanında Türkiye (İstanbul 1971), makalelerinden oluşan Selçuklular ve İslâmiyet (İstanbul 1971) ve Doğu Anadolu Türk Devletleri Tarihi'dir (İstanbul 1973). Ayrıca her biri ayrı öneme sahip kaynak neşirleri ve tercümeleri de mevcuttur. Bunlardan bazıları Aksarâyî, Müsâmeretü'l-Ahbâr ve Müsâyeretü'l-Ahyâr (Ankara 1944); "Selçuklu Devri Vakfiyeleri I, II, III" (Belleten. 11/42 [1947]; 11/43; 12/45 [1948]); İstanbul'un Fethinden Önce Yazılmış Tarihî Takvimler (Ankara 1954); Türkiye Selçuklular Hakkında Resmî Vesikalar: Metin, Tercüme ve Araştırmalar (Ankara 1958); M.F. Grenard "Satuk Buğra Han Menkıbesi ve Tarih" (Ülkü, 1939-1940) ve E. Cavaignac, Tarihî Kronolojinin Esasları (Ankara 1954). Bunların dışında yine her biri başlı başına temel birer kaynak niteliği taşıyan birçok makalesi ve ansiklopedi maddesi bulunmaktadır. Bu yazılar daha sonra toplanarak Prof. Dr. Osman Turan Makaleler (haz. A. Çetin-B. Koç, Ankara 2010) adıyla yayımlandı.

Osman Turan'ın bir fikir adamı olarak Türkiye'nin sosyal, kültürel, dinî ve siyasî meseleleri üzerine yazdığı Gafletten Uyanalım! (Ankara 1948), Türkiye'de Manevî Buhran Din ve Laiklik (Ankara 1964; İstanbul 1978), Türkiye'de Komünizmin Kaynakları ve Kültür İhtilâli (Ankara 1964), Türkiye'de Siyasî Buhranın Kaynakları (İstanbul 1969), Türkler Anadolu'da (İstanbul 1973), Vatanda Gurbet ve Tarihî Akış İçinde Din ve Medeniyet adlı eserleri dikkate değerdir.

Kendisi gibi bir Selçuklu tarihi mütehassısı olan Mehmet Altay Köymen'in onun fikir mücadelesi hakkında söylediği şu sözler dikkat çekicidir: "O, esersiz unvan sahiplerinin ve cahillerin amansız düşmanıydı. Fakülte kurullarında yalnız millî meseleler karşısındaki ilgisizliklerini ve cahilliklerini değil, ilme ve ilmî ahlaka uymayan tutum ve davranışlarını da yüzlerine karşı söylemekten çekinmezdi. Osman Turan'ın ilmî ve fikrî kudreti karşısında susmaktan başka bir şey yapamayanlar, siyasî hayata atılması üzerine derin nefes aldılar."

Osman Turan, siyaset fasılasına rağmen, bütün hayatını okumaya ve yazmaya, yani sadece ilme vakfeden, bunun dışında başka hiçbir heyecanı ve hedefi olmayan, zekâsıyla öğrenme heyecanını birleştirebilen az sayıdaki tarihçiden biridir. Sadece 27 Mayıs'tan sonraki on beş buçuk aylık hapishane hayatında okuma imkânı bulamamıştır. Osman Turan, siyasî hayatına rağmen tarih araştırmalarına hiç fasıla vermemiş, bilgilerini adeta bir tarih felsefecisi hüviyetiyle tahlil ve terkip edebilmiş bir mütefekkir tarihçidir. Onun bu özelliğini sergilediği en önemli eseri Türk Cihan Hâkimiyeti Mefkuresi Tarihi (I-II)'dir. "Tarih ve Mefkûre" bölümüyle başlayan eser, Türk tarihinin en erken devirlerinden Osmanlı Devleti'nin son dönemlerine kadar "Türk Dünya Nizamının Milli, İslami ve İnsani Esasları"nın izini sürer. Ona göre Türk tarihinin seyrini, Türkler'in millî İslamî ve insanî esaslar belirlemiştir. Bu esasların temeli, ilk dönemlerden itibaren siyasî, içtimaî ve dinî kudrete bağlı olarak gelişen ve İslamlaşmayla beraber devam eden Türk cihan hakimiyeti mefkûresidir. Bu mefkûreye göre Türkler, Allah'ın cihan hakimiyetini kendilerine emanet ettiğine inanırlar. Bu yüzden bütün siyasî, askerî, toplumsal, kültürel ve ekonomik faaliyetleri, yeryüzüne ve insanlara adalet, huzur ve barış yayma adınadır. Bu mefkûre, Türk düşünce dünyasının merkezinde yer alan toplumsal bir bilinç olarak her dönemde varlığını korumuş ve topluma önderlik eden hükümdarların şahsında yükselmiştir.

Osman Turan tarihin milletlerin şuurunda yaşadığını ifade ederek bunun önemini de şöylece belirtmiştir. "Tarih, şuurda yaşadıkça milletlerin şahsiyetlerini geliştirmeye, kültür ve mefkûrelerini kuvvetlendirmeye hizmet eder. Tarihini bilmeyen ve şuurunu taşımayan milletler hafıza ve idraklerini kaybetmiş şaşkın kimselere benzerler."

Osman Turan'ın eserleri, vefatından sonra da geniş bir okuyucu kitlesi tarafından takip edilmiş, ele aldığı konular üzerine eğilen yeni nesil araştırmacılar için bir başvuru veya el kitabı haline gelmiştir. Onun hayatı, şahsiyeti ve tarihçiliği, başta Selçuklu tarihçileri olmak üzere kendisinden sonra gelen bütün tarihçilerin yolunu aydınlatan bir kutup yıldızı mesabesindedir.