Harald zur Hausen kam am 11. März 1936 in Gelsenkirchen-Buer zur Welt. Seine Eltern Eduard und Melanie zur Hausen hatten einen Bauernhof. Er war das jüngste von vier Kindern, hatte zwei Brüder und eine Schwester. Dass er ebenfalls in der Landwirtschaft tätig werden würde, wurde anscheinend nicht erwartet. Nach dem Besuch der Volksschule besuchte er jedenfalls ab 1946 das Gelsenkirchener Max-Planck-Gymnasium. 1950 zog die Familie nach Vechta und Harald zur Hausen wechselte an das dortige Gymnasium Antonianum.
Zur Hausen studierte nach dem Abitur Medizin an den Universitäten Bonn, Hamburg und zuletzt in Düsseldorf. Nach seiner Promotion 1960 arbeitete er zunächst zwei Jahre als Medizinalassistent und anschließend für drei Jahre als wissenschaftlicher Assistent am Institut für medizinische Mikrobiologie in Düsseldorf. Es folgten dreieinhalb Jahre in den USA, an den Virus Laboratories des Children‘s Hospital of Philadelphia. 1969 habilitierte er sich an der Julius-Maximilians-Universität in Würzburg, wo er inzwischen am Lehrstuhl für Virologie tätig war. 1972 wurde er zum Professor auf den neugegründeten Lehrstuhl für Klinische Virologie an der Universität Erlangen-Nürnberg berufen. 1977 wechselte er nach Freiburg an den Lehrstuhl für Virologie und Hygiene an der Albert-Ludwigs-Universität.
1983 kam Harald zur Hausen als Vorsitzender und Wissenschaftliches Mitglied des Stiftungsvorstands des Deutschen Krebsforschungszentrums nach Heidelberg. Unter seiner Leitung wurde es zu einem weltweit führenden Institut. Er sorgte dafür, dass sich die Arbeit des Forschungszentrums stärker auf die Bekämpfung menschlicher Tumore ausrichtete. Auch gelang es ihm, die Zusammenarbeit mit Kliniken erheblich zu verbessern. Seine Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter verehrten „Zett-H“, wie er im Haus genannt wurde, aufgrund seines Engagements und seiner Autorität. Als er 2003 emeritiert wurde, behielt er sein Büro im Krebsforschungszentrum. Noch im hohen Alter forschte er an Erregern, die mit der Entstehung von Brust- und Darmkrebs in Verbindung stehen könnten.
Früh hatten sich die Forschungen des Mediziners und Virologen mit der Entstehung von Krebsarten aus Virusinfektionen befasst. 1976 publizierte er gegen viele Widerstände die Hypothese, dass humane Papillomviren (Warzenviren) eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Gebärmutterhalskrebs (Zervixkarzinom) spielen würden. Gebärmutterhalskrebs war die dritthäufigste Krebserkrankung bei Frauen. Auch zur Hausens Großmutter war daran erkrankt und in der Folge gestorben. Anfang der 1980er Jahre gelang es ihm und seinem Forschungsteam erstmals, die Typen HPV 16 und HPV 18 des humanen Papillomvirus aus an Gebärmutterhalskrebs erkranktem Gewebe zu isolieren. Diese Entdeckung ermöglichte die Entwicklung eines Impfstoffes, der seit 2006 verfügbar ist.
Seine Wurzeln hat Harald zur Hausen nie vergessen. Wiederholt erwähnte er seine Herkunft, die ihn zeitlebens geprägt habe. Er stamme aus einem Teil Deutschlands, so erzählte er gerne, in dem die Menschen eine gewisse Sturheit hätten: er sei „ein westfälischer Dickkopf“. Diese Eigenschaft habe ihm bei seiner späteren Arbeit geholfen, etwa eigene Forschungsergebnisse auch gegen Widerstände und Mehrheitsmeinungen in der Wissenschaft zu verteidigen, – mitunter wurde er als „Spinner“ bezeichnet.
Geistige Unbeugsamkeit und die große Beharrlichkeit brachten ihm im Jahr 2008 eine Hälfte des Nobelpreises für Physiologie und Medizin ein. Den Preis erhielt er zusammen mit dem französischen Forschungsteam Françoise Barré-Sinoussi und Luc Montagnier, die für die Entdeckung des AIDS-verursachenden HI-Virus ausgezeichnet wurden. Zudem erhielt er viele internationale Auszeichnungen, u. a. über 30 Ehrendoktorwürden und zahlreiche Ehrenprofessuren. Bundespräsident Horst Köhler verlieh ihm 2009 das Bundesverdienstkreuz mit Stern der Bundesrepublik Deutschland. Seit 2008 war er Botschafter der Bergstraße. Von 2014 bis 2017 war er Vorsitzender des Stiftungsrates der Paul-Ehrlich-Stiftung, die den Paul-Ehrlich-und-Ludwig-Darmstaedter-Preis vergibt. 2017 wurde er Ehrenbürger der Stadt Heidelberg, 2020 erhielt er den Verdienstorden des Landes Nordrhein-Westfalen.
Harald zur Hausen war in zweiter Ehe mit der aus Südafrika stammenden Virologin Ethel-Michele de Villiers verheiratet, die ebenfalls in der Krebsforschung tätig war. Aus erster Ehe hatte er drei Söhne. Er starb am 29. Mai 2023 im Alter von 87 Jahren in Heidelberg.