Sus padres eran humildes sirvientes del Conde de Molina de Herrera. Blanca de los Ríos sostuvo que Gabriel fue hijo natural del Duque de Osuna, pero esa tesis carece de fundamento y hoy está completamente desacreditada, ya que de ser cierta Tirso hubiera necesitado dispensa papal para entrar en la Orden de la Merced. Además el Duque de Osuna era entonces muy viejo y se encontraba acreditado en Nápoles. Por otra parte, la partida de nacimiento que alega doña Blanca es prácticamente ilegible y hace nacer a Tirso en 1584. Luis Vázquez, en su "Gabriel Téllez nació en 1579. Nuevos hallazgos documentales", en Homenaje a Tirso, L. Vázquez, ed., Madrid: Revista Estudios, 1981, pp. 19-36, documenta que nació en 1579. Ninguno de sus enemigos contemporáneos, por otra parte, le achacó ese origen.

Fue discípulo de Lope de Vega, a quien conoció como estudiante en Alcalá de Henares. El 4 de noviembre de 1600 ingresa en la Orden de la Merced, tomando los hábitos el 21 de enero de 1601 en el monasterio de San Antolín de Guadalajara.

Se ordenó sacerdote en 1606 en Toledo: allí estudió Artes y Teología y empezó a escribir; ésta fue la ciudad donde vivió más tiempo, y desde ella hizo viajes a Galicia (en 1610 ó 1611), a Salamanca en 1619 o a Lisboa.

En 1612 vendió un lote de tres comedias, y se cree que ya había escrito antes una primera versión de El vergonzoso en Palacio; de 1611 es La villana de La Sagra, de hacia 1613 El castigo del penseque y la trilogía de La santa Juana, y de 1615 Don Gil de las calzas verdes; todavía este año estrenó en el Corpus toledano el auto Los hermanos parecidos. Ya por entonces, si bien cultivó también temas religiosos, sus sátiras y comedias le habían granjeado problemas con las autoridades religiosas, lo que lo llevó a retirarse entre 1614 y 1615 al monasterio de Estercuel, en Aragón. Acaso es por ello que apenas figura en el Viaje del Parnaso de Cervantes. Entre 1616 y 1618 estuvo en Santo Domingo, donde fue profesor de teología durante tres años en su universidad e intervino en asuntos de su Orden. Esto le permitirá conocer numerosas historias de la Conquista que usará más tarde en sus obras. De vuelta ya en 1618, se instala en Madrid, donde entre 1624 y 1633 aparecen las cinco Partes de sus comedias; estas "profanas comedias" le costaron un gran escándalo y el destierro a Sevilla; en 1622 participa en el certamen poético con motivo de la canonización de San Isidro; en 1625 la Junta de Reformación creada a instancias del Conde-Duque de Olivares le castiga con reclusión en el monasterio de Cuenca por escribir comedias profanas "y de malos incentivos y ejemplos", y pide su destierro y excomunión mayor si reincide.

Pero Tirso de Molina siguió escribiendo y no se tomaron medidas mayores contra él al desinflarse las medidas moralizadoras del Conde-Duque; es más, en 1626 pasa a residir en Madrid y es nombrado comendador de Trujillo, por lo cual vive en la ciudad extremeña hasta 1629, en que vuelve a Toledo y posiblemente a Madrid.

Entre 1632 y 1639 estuvo en Cataluña, donde fue nombrado definidor general y cronista de su Orden; en este último cargo compone la Historia general de la Orden de la Merced, que empieza en 1632 y termina en 1639. En este último año el pontífice Urbano VIII le concedió el grado de maestro. Pero los enfrentamientos con miembros de su propia Orden le llevan al destierro en Cuenca en 1640. Sus últimos años los pasa en Soria en el Convento de Nuestra Señora de la Merced, en el que fue nombrado comendador en 1645. Murió en Almazán en 1648.

Aunque una de las obras que se le atribuyen ha tenido una enorme influencia en la cultura mundial como origen del mito de Don Juan, El burlador de Sevilla y convidado de piedra, en su tiempo la versión más conocida de la obra fue una refundición, Tan largo me lo fiais, realizada por el dramaturgo y actor Andrés de Claramonte, también autor de La estrella de Sevilla.