Узеир Гаджибеков родился 5 (18) сентября 1885 года в селении Агджабеди, где его мать Ширин-ханум Кербалаи Алекпер-бек кызы гостила у своих родственников. Спустя несколько лет (1896 год по азербайджанскому тексту; 1897 — по русскому) Закавказское духовное управление мусульман шиитского мазхаба выдала свидетельство, что «житель города Шуши» Узеир Гаджибеков родился по мусульманскому календарю 7 дня месяца зу-ль-хиджа 1302 года (5 сентября 1885 года), но этот документ У. Гаджибеков получил лишь в 1914 году в Баку.

Его отец — Абдул-Гусейна Гаджибекова был сельским писарем, а мать Ширинбейим-ханум происходила из рода Аливердибековых. Брат Узеира — Джейхун Гаджибейли подписывался псевдонимом Дагестани в честь своих предков — выходцев из Дагестана. Всего в семье было три брата и две сестры.

Вскоре после его рождения семья Гаджибековых переехала в город Шуша, являвшийся одним из крупнейших центров азербайджанской культуры, где и вырос Гаджибеков. Отец будущего композитора долгое время был личным секретарём известной азербайджанской поэтессы и общественного деятеля, дочери карабахского хана — Хуршидбану Натаван, которая оказала огромное влияние на его воспитание. Мать Узеира — Ширин Аливердибекова воспитывалась в доме поэтессы, а дедушка композитора и Натаван были молочными братом и сестрой.

Знакомство с Натаван открыло перед юным Узеиром дорогу в лучшие музыкальные сообщества — «меджлисы» Шуши. В юном возрасте Узеир Гаджибеков брал уроки мугамного пения и обучался игре на азербайджанских народных инструментах. В театральной постановке 1897 года «Меджнун на могиле Лейли» (эпизод из любовного дастана «Лейли и Меджнун»)

Абдуррагима Ахвердиева и Джаббара Каръягдыоглы, 13-летний Узеир пел в сопроводительном хоре.

Узеир Гаджибеков (крайний слева в первом ряду) среди студентов Горийской семинарии (за ним стоит Муслим Магомаев). 1904 год

Окончив медресе и двухлетнюю русско-татарскую школу, Гаджибеков в период с 1899 по 1904 годы обучался в учительской семинарии в городе Гори. В Гори семинарист Гаджибеков также освоил игру на скрипке, виолончели и духовых инструментах, там же он познакомился с будущим композитором Муслимом Магомаевым (дед певца Муслима Магомаева). В течение последующих четырёх лет он занимался преподавательской деятельностью в школах Гадрута и Баку.В 1905 году Узеир Гаджибеков преподавал в Баку, в Биби-Эйбатской школе, а затем в школе «Саадат», где он обучал азербайджанскому языку, математике, географии, истории, а также русскому языку. Тогда же он поступил на работу переводчиком в газету «Хаят», затем сотрудничал с газетой «Иршад». В 1911 году Гаджибеков выехал в Москву с целью получения систематического музыкального образования. В течение года он учился на музыкальных курсах при Московском филармоническом обществе у А. А. Ильинского (сольфеджио — у Н. М. Ладухина, гармония — у профессора Н. Н. Соколовского), после чего переехал в Санкт-Петербург, где год учился в консерватории у В. Калафатти (1914). Материальное обеспечение Гаджибекова его друг Муслим Магомаев полностью взял на себя.

В период с 1914 по 1918 годы Гаджибеков являлся редактором, а затем владельцем газеты «Йени игбал», позже был редактором газеты «Азербайджан». В период с июня по сентябрь 1918 года он руководил гастрольной поездкой азербайджанских оперных артистов в иранские города Энзели и Решт. В 1920 году в Азербайджане установилась советская власть. Композитор в том же году представил в Народный комиссариат просвещения Азербайджанской ССР доклад о необходимости открытия музыкальной академии и народной консерватории, а также о передаче им зданий бывших музыкальных школ. В последующие годы Узеир Гаджибеков руководил созданной по его инициативе Азербайджанской тюркской музыкальной школой. В 1925 году его избрали депутатом Бакинского Совета депутатов трудящихся, а в следующем году он стал проректором Азербайджанской государственной консерватории.

Дом «Монолит» в Баку, в котором с 1942 по 1948 год жил Гаджибеков

В 1931 году Узеир Гаджибеков организовал оркестр народных инструментов, а в 1936 — государственный хор. 7 мая 1938 года Узеир-бек подал заявление о приёме в партию, и ЦК КПСС, ввиду его заслуг, по ходатайству ЦК КП Азербайджанской ССР, в качестве исключения, принял Узеира Гаджибекова в ряды партии без прохождения кандидатского стажа. Год спустя композитора назначили ректором Азербайджанской государственной консерватории и в том же 1939 году избрали членом организационного комитета I съезда Союза композиторов СССР. В 1943 году передал 25 000 рублей личных сбережений на строительство танковой колонны.

В сентябре 1945 года Гаджибеков был назначен директором Института искусств АН Азербайджанской ССР.

20 декабря 1909 года Узеир Гаджибеков женился на Малейке-ханум Терегуловой — представительнице знатного рода Терегуловых, известного как в Азербайджане, так и в Грузии, с которой он познакомился, ещё учась в Горийской семинарии. Другая из шести сестёр Терегуловых была замужем за Муслимом Магомаевым-старшим. После получения высшего образования Гаджибеков жил в Баку с женой и матерью, а также опекал пятерых детей своей сестры; своих детей у него не было. Брат композитора Джейхун Гаджибейли эмигрировал во Францию, но это не отразилось на признании композитора в СССР благодаря тому, что композитор поддерживал связи с братом, живущим в Европе, посредством сестёр и других родственников. До постановки «Кёроглы» постоянно сохранялась опасность ареста композитора и возможных репрессий, но после того, как в 1938 году «Кёроглы» была триумфально поставлена в столице СССР, автор был удостоен звания Народного артиста СССР, ордена Ленина, и был избран депутатом Верховного Совета СССР. Это было признанием со стороны политического руководства страны.

В 1947 году состоние страдающего от диабета Гаджибекова ухудшилось. А из-за неверно назначенного лечения оно ещё более осложнилось. Гаджибеков стал проходить лечение в Кремлёвской больнице в Москве, а после — в государственном санатории в Мардакяне. 23 ноября 1948 года около 2 часов ночи композитор скончался в Баку, в своей квартире на четвёртом этаже дома «Монолит», от сердечной недостаточности. Похоронен на Аллее почётного захоронения в Баку.