GS-TSKH Tô Ngọc Thanh sinh năm 1934, quê ở Mỹ Văn (Hưng Yên). Ông là con trai cả của danh họa Tô Ngọc Vân.
Có cha là họa sĩ nổi tiếng, Tô Ngọc Thanh được theo học mỹ thuật khi mới 6,7 tuổi. Nhưng từ nhỏ, cậu bé Tô Ngọc Thanh đã có niềm đam mê âm nhạc, thường trốn nhà đi nghe hát xẩm ở đầu phố Khâm Thiên (Hà Nội), rồi đi mua một cây sáo về tự học thổi.
Năm 11 tuổi theo gia đình đi kháng chiến, Tô Ngọc Thanh trở thành Trưởng đoàn Văn hóa kháng chiến những năm 1949-1951. Thời điểm đó, nghệ sĩ trẻ Tô Ngọc Thanh tham gia đóng kịch, ca hát trong nhiều tiết mục của đoàn.
Năm 1951, Đoàn Văn hóa kháng chiến giải thể, ông thi đỗ vào Trường Âm nhạc Việt Bắc, sau đó tiếp tục theo học Khoa Sáng tác, Trường Âm nhạc Việt Nam khóa đầu tiên.
Năm 1959, ông được phân công về Ban Nghiên cứu âm nhạc thuộc Vụ Nghệ thuật, Bộ Văn hóa Thông tin (nay là Bộ VHTT-DL). Từ thời điểm này, ông bắt đầu hành trình rong ruổi mấy chục năm đi sưu tầm nghiên cứu âm nhạc dân gian các dân tộc, sống hòa nhập cùng đồng bào các dân tộc thiểu số ở vùng cao.
Hàng chục năm lặn lội khắp núi rừng, buôn bản vùng Tây Bắc, Việt Bắc và Tây nguyên, GS-TSKH Tô Ngọc Thanh cho ra đời nhiều công trình nghiên cứu xuất sắc như công trình Âm nhạc dân gian Thái Tây Bắc (1969), tác phẩm Âm nhạc dân gian Mường (1971), tư liệu Âm nhạc Cung đình Việt Nam (2000), ghi chép về văn hóa và âm nhạc - công trình đồ sộ, dày hơn 900 trang sách...
Con trai cả của họa sĩ Tô Ngọc Vân hội tụ đủ mọi tố chất của một nhà khoa học uyên bác khiến giới khoa học kính nể. Ông gắn bó gần như cả cuộc đời với đồng bào dân tộc thiểu số, có thể sử dụng 5-6 ngôn ngữ dân tộc thiểu số thông thạo.
Ông để lại nhiều dấu ấn ở vai trò Chủ tịch Hội Văn nghệ dân gian Việt Nam.
