Nasceu em Santiago de Chuco, região andina localizada ao norte do Perú, no seio de uma família com origens espanholas e indígenas. Desde pequeno conheceu a miséria, mas teve o afeto familiar que longe do qual tinha um incurável sentimento de orfandade. Estudou na Universidade de Trujillo, cidade onde descobriu a boemia influenciado por jornalistas, escritores e políticos rebeldes.
Em Trujillo, Vallejo publicou seus primeiros poemas antes de chegar a Lima no final de 1917. Nesta cidade lança seu primeiro livro: Los Heraldos Negros (impresso em 1918, lançado em 1919), um dos mais representativos exemplos de posmodernismo.
Em 1920 faz uma visita a sua cidade natal e acaba se envolvendo em confusões que o levaram a cadeia aonde permaneceu por cerca de três meses; esta experiência teve uma profunda influência em sua vida e em sua obra, refletindo diretamente em vários poemas de seu segundo livro, Trilce (1922). Considerada como uma obra fundamental pela renovação da linguagem poética hispanoamericana, pois em Trilce, Vallejo se afasta dos modelos tradicionais que até então havia seguido, adotando uma linha mais modernista e realizando um angustiante e desconcertante mergulho nos abismos da condição humana, que nunca antes haviam sido explorados.
No ano seguinte parte para Paris, aonde permanecerá (fazendo algumas viagens a União Soviética, Espanha e outros países europeus) até o fim de seus dias. Em París, viveu em extrema pobreza e grande sofrimento físico e moral. Participa com amigos como Huidobro, Gerardo Diego, Juan Larrea e Juan Gris de atividades de cunho vanguardista renunciando a sua própria obra Trilce e em 1927 aparece firmemente comprometido com o marxismo em sua atividade intelectual e política. Escreve artigos para periódicos e revistas, peças teatrais, relatos e ensaios de intenção propagandistas, como Russia em 1931. Inscrito no Partido Comunista da Espanha (1931) e designado para ser correspondente acompanha os acontecimentos da Guerra Civil e escreve o seu poema mais político: España, aparta de mi este cáliz, que aparece em 1939 impresso por soldados do exército republicano.
Toda a obra poética escrita em París, e que Vallejo publicou parcamente em diversas revistas, apareceria postumamente nesta cidade com o título: Poemas humanos (1939). Nesta produção é visível seu esforço em superar o vazio e o niilismo de Trilce e em incorporar elementos históricos e da realidade concreta (peruana, européia, universal) com os que pretendem manifestar uma apaixonada fé na luta dos homens pela justiça e solidariedade social.