Гамсун народився 4 серпня 1859 року в парафії Везі в долині Гудбрандсдален. Він був четвертою дитиною в сім'ї сільського кравця Педер Педерсена. Жив у бідності, з дев'яти років працював у конторі у свого дядька, потім почалися роки мандрів (з 1873 року), протягом яких він змінив безліч занять. Писати почав з 17 років. Перша книга (Den Gaadefulde. En kj?rlighedshistorie fra Nordland) з'явилася в 1877 році. У молодості багато подорожував, побувавши, зокрема, в Америці. Після 1888 року влаштувався в Копенгагені. У 1890 році у Гамсуна виходить новаторський психологічний роман «Голод» (норв. Sult), що приніс йому славу. У 1890-ті роки і особливо в 1900-і Гамсун був одним з найпопулярніших в світі письменників і драматургів модернізму, неодноразово переводився і був дуже відомий в Росії.
У 1898 році Гамсун одружується на Бергліот Бех - цей шлюб тривав вісім років. У 1909 році він одружується вдруге, на актрисі Марі Андерсен. Марі після весілля полишила кар'єру і залишалася з Гамсуном до кінця його життя. У 1918 році подружжя купують садибу Нерхольм, в якій Гамсун проведе решту життя. У 1920 році Гамсуну присуджується Нобелівська премія з літератури за монументальну працю «Соки землі» (норв. Markens Gr?de).
Після приходу Гітлера до влади в Німеччині і під час Другої світової війни Гамсун, раніше систематично проповідував німецьку культуру і виступав проти англосаксонської, став на бік нацистів і підтримував режим Квіслінга. За це після закінчення війни він був відданий під суд як зрадник. Гамсун уникнув тюремного ув'язнення завдяки своєму похилому віку, проте був оштрафований за цивільним позовом. Відразу після смерті Гітлера Гамсун написав некролог німецькому фюреру, якого назвав борцем за права народів, незважаючи на те, що близькі відмовляли його від цього кроку. Після війни він деякий час жив у будинку для людей похилого віку, а в 1950 році повернувся в Нерхольм. Його син Арілд бився добровольцем у складі дивізії СС «Wiking» на Східному фронті.
Письменник помер 19 лютого 1952 року. Повне зібрання його творів вийшло в світ через два роки після його смерті.