Писатель, драматург, литературовед, критик. Родился 6 (18) октября 1894 года в Режице Витебской губернии (ныне Резекне в Латвии) в состоятельной еврейской семье врача Насона Аркадьевича Тынянова и совладелицы кожевенного завода Софьи Борисовны Тыняновой (урожд. Соры-Хаси Эпштейн). У Тынянова были старший брат Лев и младшая сестра Лидия.
Учился в Псковской гимназии (1904—1912, окончил с серебряной медалью), где среди его однокашников и друзей были Лев Зильбер, Август Летавет, Ян Озолин, Борис Лепорский.
Был женат (1916) единственным браком на Елене (Лее) Александровне Тыняновой (в девичестве Зильбер; сестра Льва Зильбера и Вениамина Каверина); дочь (1916) — Инна.
Окончил историко-филологический факультет Петроградского университета (1912—1918).
В студенческие годы участвует в работе Пушкинского семинара С. А. Венгерова, Пушкинского историко-литературного кружка/научного общества.
С 1918 года Тынянов — участник ОПОЯЗа, где, наряду с В. Б. Шкловским, Б. М. Эйхенбаумом и др. вносит свой вклад в создание научного литературоведения («формального метода» в литературоведении). В 1919 году сдает выпускную работу «Пушкин и Кюхельбекер» (утеряна в Гражданскую войну; в 1934 году Тыняновым написана одноименная статья) и «оставляется при университете» (что близко к современной аспирантуре).
В 1919-20 годах Тынянов преподает литературу в школе, в 1919-21 служит в Центральном бюро Союза коммун Северной области, затем в Отделе информации петроградского бюро Коминтерна, читает лекции в Доме искусств и Доме литераторов.
В 1921—30 профессор Института истории искусств. В 20-е годы Тынянов выступает как литературовед и литературный критик, публикует книги «Достоевский и Гоголь (к теории пародии)» (1921), «Проблема стихотворного языка» (1924), представляющую наиболее его проработанную теоретическую работу, сборник статей о литературном процессе первой трети XIX века «Архаисты и новаторы» (1929), а также многочисленные работы, не вошедшие в прижизненные сборники. В те же годы он начинает писать профессиональную прозу (дебютировал в 1925 году под псевдонимом Юзеф Мотль в № 26-27 журнала «Ленинград»; затем следуют романы «Кюхля» (1925) и «Смерть Вазир-Мухтара» (1928), рассказ (фактически, маленькая повесть) «Подпоручик Киже» (1927)), переводить Г. Гейне, пишет также сценарии к кинофильмам («Шинель» (1926), «СВД» (1927; совместно с Ю. Г. Оксманом)). Постепенно писательство становится его второй профессией.
К концу 20-х годов рассеянный склероз, которым Тынянов страдал с молодости, приводит к частичной утрате работоспособности. В 30-х гг. прогрессирующая болезнь, наряду с гонениями на «формалистов», несколько снижают его научную активность и переводят ее из теоретического в историко-литературное русло. В это десятилетие выходят его роман «Пушкин» (1936, ч. 1 и 2), повесть «Восковая персона» (1930), рассказы «Черниговский полк ждет» (1932) и «Малолетный Витушишников» (1933), еще две книги переводов из Гейне. Тынянов принимает активное участие в подготовке книг из серии «Библиотека поэта», становясь после смерти Максима Горького фактическим ее руководителем.
Войну Тынянов встречает в состоянии инвалида. Однако до конца жизни он продолжал работать над третьей частью своего последнего романа («Пушкин», не завершен) и писать рассказы (во время войны в провинциальных изданиях опубликованы как минимум три его рассказа).
Умер в декабре 1943 года, вернувшись из эвакуации в Москву.
В г. Резекне в 1981 году педагог Анна Уланова создала музей писателя, а с начала 80-х годов проходят чтения, посвященные памяти Тынянова.