Deniz Baykal 20 Temmuz 1938 tarihinde Antalya'da doğdu.
Babası Hüseyin Hilmi Bey, annesi ise Feride Hanım'dır.
1952 yılında Antalya Atatürk Ortaokulundan, 1955 yılında Antalya Lisesi'nden mezun oldu.
1959 yılında Ankara Üniversitesi Hukuk Fakültesi'ni bitirdi.
Ankara Üniversitesi Siyasal Bilgiler Fakültesi'ne 1960 yılında asistan olarak girdi.
1963'te doktora çalışmalarını tamamladıktan sonra iki yıl Rockefeller Foundation bursu ile ABD'de kaldı ve Columbia Üniversitesi ile Berkeley Üniversitesi'nde çalışmalarını sürdürdü.
Siyasetle 1960'lı yıllara doğru Demokrat Parti iktidarına karşı gelişen öğrenci hareketlerine katılmakla tanışan Baykal, CHP'nin 1965 genel seçimlerindeki yenilgisini analiz ettiği ve daha sonra doçentlik tezine dayanak olacak olan raporla CHP yönetiminin dikkatini çekti.
Doçent olduğu yıl olan 1968'de CHP'ye girerek siyasal yaşama atıldı.
14 Ekim 1973'te yapılan genel seçimlerde 185 milletvekili kazanarak birinci olan Cumhuriyet Halk Partisi'nden Antalya milletvekili seçildi.
Seçimlerden sonra 1974'te Bülent Ecevit başbakanlığında kurulan CHP-MSP koalisyon hükümetinden Maliye Bakanı oldu. 1978'de kurulan 3. Ecevit hükümetinde ise Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı yaptı.
Deniz Baykal bu dönemde CHP parti meclisi ve merkez yürütme kurulu, genel sekreter yardımcılığı görevlerinde bulundu. 1979 Ekim ara seçimlerinden sonra toplanan olağanüstü CHP kurultayında parti yönetimini ağır bir şekilde eleştirdi.
12 Eylül 1980 askeri müdahalesinden sonra bir süre Ankara'da Ordu Dil Okulu'nda gözetim altında tutuldu.
1982 Anayasası'nın 5 yıl süreyle siyasi yasağı getirdiği politikacılar arasında yer aldı.
1983 yılında siyasal partilerin kurulmasına izin verilmesinden sonra "yasaklı olmalarına rağmen faaliyetlerini sürdürdüğü" gerekçesiyle bir grup önde gelen CHP'li ve AP'li politikacıyla birlikte Çanakkale Zincirbozan Askeri Tesisleri'nde 2. kez gözetim altına alındı.
Siyasi yasaklı olmasına karşın 1984 yılında Sosyal Demokrasi Partisi'ne (SODEP) girdi; bu partinin Sosyaldemokrat Halkçı Parti'yle (SHP) birleşmesiyle SHP'li oldu.
Eylül 1987'deki genel seçimlerde SHP'den Antalya milletvekili seçildi.
SHP'de önce grup başkanvekilliği ardında da genel sekreterlik görevlerinde bulunan Baykal, Haziran 1988'de göreve başladığı genel sekreterlikten 10 Eylül 1990'da istifa etti.
Bu dönemde demokratikleşme çabalarına ilişkin bir rapor hazırlattı (Temmuz 1990). SHP'de bu dönemden başlayarak olağan ve olağanüstü kurultaylarda Genel Başkan Erdal İnönü'nün üç defa karşısına çıktı ancak başarılı olmadı.
Genel Sekreterlikten istifasından sonra SHP parti içi muhalefetinin önderi oldu.
Deniz Baykal, Antalya milletvekili olarak Türkiye Avrupa Birliği Karma Parlamentolararası Komitesi eşbaşkanlığını yürüttü. Avrupa Konseyi Parlementerler Meclisi üyeliğine seçildi.
TBMM Dışişleri Komisyon üyeliğinde bulundu. Temmuz 1992'de kapatılan siyasi partilerin açılmasına izin veren yasanın sağladığı imkânla 9 Eylül 1992 tarihinde toplanan CHP Kurultayında Genel Başkanlığa seçildi. 54 yaşında genel başkan oldu.
1994 yerel seçimlerine üç parça halinde (SHP, DSP, CHP) katılan sol partiler birleşme arayışlarına başladılar. DSP baştan olumsuz yanıt verdi.
SHP bu karara olumlu yaklaştı. SHP ve CHP 18 Şubat 1995'te toplanan kurultayda birleşti. CHP Genel Başkanı Deniz Baykal bu kurultayda genel başkanlığa aday olmadı.
9 Eylül 1995 tarihinde birleşmeden sonra yapılan CHP Olağan Kurultayında genel başkanlığa seçildi.
30 Ekim 1995 tarihinde kurulan DYP-CHP koalisyon hükümetinde Başbakan Yardımcılığı ve Dışişleri Bakanlığı görevlerini üslendi. Deniz Baykal, bir tek şartla kerhen bu koalisyonu kurdu, o da hemen erken seçim olması idi. Türkiye 24 Aralık 1995'te erken seçimlere gitti.
24 Aralık 1995 milletvekili genel seçimlerinde yeniden Antalya milletvekili oldu.
Seçimleri takiben 53. Hükümetin (ANAP-DYP koalisyonu) kurulmasıyla Dışişleri Bakanlığı ve Başbakan Yardımcılığı görevlerinden ayrıldı. 23 Mayıs 1998 tarihinde yapılan Cumhuriyet Halk Partisi 27.Olağan Kurultayında genel başkanlığa 3. kez seçildi.
18 Nisan 1999 seçimlerinde Cumhuriyet Halk Partisi ve Deniz Baykal ilk kez seçim sonuçlarıyla parlamento dışında kaldılar.
22 Nisan 1999 tarihinde alınan seçim sonuçları nedeniyle istifa eden Baykal, 30 Eylül 2000 tarihinde Ankara'da toplanan Cumhuriyet Halk Partisi 11. Olağanüstü Kurultayında yeniden seçilerek üçüncü kez CHP Genel Başkanı oldu.
3 Kasım 2002 Türkiye genel seçimlerinde CHP %19,4 oyla 177 milletvekili kazanarak TBMM'ye girdi.
Deniz Baykal Antalya milletvekili seçilmişti. Baykal, 22.Dönem TBMM'de Ana muhalefet partisi genel başkanı olarak görev yaptı.
2003 Ekim ayında 30.Kurultayda tekrar genel başkanlığa seçildi. 2004 Temmuz ayında muhaliflerden Mustafa Sarıgül'e karşı olağanüstü kurultayda güvenoyu aldı.
29 Ocak 2005'te yapılan CHP Olağanüstü Kurultayı'nda, rakibi Mustafa Sarıgül'ü yenerek genel başkanlık görevine devam etti.
19-20 Kasım'da toplanan 31. Olağan Kurultayda 1158 oyun tamamını alarak tekrar genel başkanlığa seçildi. 2007 seçimlerinden önce CHP'nin de içinde bulunduğu sol ittifakı, 22 Temmuz 2007'de yapılan Genel Seçimleri'nde %20,8 oy aldı.
Deniz Baykal 26 Nisan 2008'de yapılan CHP 32. Olağan Kurultayı'nda 1231 delegeden 1021'inin oyunu alarak tekrar genel başkan seçildi.
10 Mayıs 2010 tarihinde, İnternet yoluyla gündeme gelen, kendisi ve Nesrin Baytok içinde bulunduğu iddia edilen gizli kamera görüntülerine meydan okumak için genel başkanlık görevinden istifa ettiğini açıkladı.
Baykal, 2011 ve Haziran 2015 genel seçimlerinde CHP'den Antalya milletvekili seçildi.
2015 genel seçimlerinden sonra meclisin en yaşlı üyesi sıfatıyla 23 Haziran 2015 günü 25. Dönemin ilk oturumunu açtı ve yeni TBMM Başkanı İsmet Yılmaz seçilene kadar Meclis Başkanlığına vekalet etti.
24 Haziran 2015 tarihinde Cumhuriyet Halk Partisi tarafından 30 Haziran 2015'te yapılan TBMM başkanlık seçimleri için TBMM başkan adayı olarak gösterildi.
Seçimde 1. turda 125, 2. turda 128, 3. turda 129 ve 4. turda 182 oy alarak seçimi kaybetti. Son turdaki rakibi İsmet Yılmaz 258 oy ile 1. olup 26. TBMM Başkanı oldu.
1 Kasım 2015 tarihinde yapılan erken seçimlerde CHP'den Antalya milletvekili seçildi. Yine bu seçimlerden sonra meclisin en yaşlı üyesi sıfatıyla yeni başkan seçilene kadar oturumları yönetti.
1961 yılında Olcay Baykal'la yaptığı evlilikten biri kız (Aslı Baykal), biri erkek (Ataç Baykal) iki çocuk ve üç torun sahibidir.
