Geboren als Sohn von Thomas Mann und dessen Ehefrau Katia in München. Mit 18 Jahren veröffentlichte er seine ersten Texte.

Mit seiner Schwester Erika verband ihn eine enge Beziehung. Mit ihr und Freunden führte er seine frühen Theaterstücke auf, unter anderem an den Hamburger Kammerspielen.

1924 verlobte sich Klaus Mann mit seiner Jugendfreundin Pamela Wedekind, 1928 wurde die Verlobung wieder aufgelöst. 1925 bekannte er sich öffentlich zu seiner Homosexualität anläßlich der Veröffentlichung seines Romans "Der fromme Tanz".

Im Alter von 18 Jahren arbeitete er einige Monate als Theaterkritiker bei einer Berliner Zeitung. Danach lebte er als freier Schriftsteller und für den Rest seines Lebens ohne festen Wohnsitz.

1927 reiste Klaus Mann mit seiner Schwester Erika nach New York, von dort aus nach Kalifornien, von dort weiter nach Japan, Korea und durch die Sowjetunion zurück nach Deutschland. Diese Reise dauerte fast ein ganzes Jahr.

Schon früh erkannte Klaus Mann die Gefährlichkeit des deutschen Nationalsozialismus und wurde zu ihrem aktiven Gegner. 1933 ging er nach Paris ins Exil. Außerdem hielt er sich oft in Amsterdam auf (wo er die Exilzeitschrift "Die Sammlung" herausgab) und in Küsnacht bei Zürich, wo seine Eltern ein Haus gemietet hatten.

1938 emigrierte er in die USA. 1941 trat er in die US Army ein, 1943 wurde er US-amerikanischer Staatsbürger. Als Staff Sergeant der 5. US-Armee kam er zunächst nach Nordafrika, dann nach Italien.

Klaus Mann nahm sich 1949 in Cannes das Leben, sein Grab befindet sich in Cannes auf dem Cimetière du Grand Jas.