Nhạc sĩ Phạm Trọng Cầu sinh ngày 25 tháng 12 năm 1935 tại Phnôm Pênh, Campuchia; còn có bút danh Phạm Trọng, được ông sử dụng tại miền Nam trước năm 1975.
Nguyên quán của ông ở Hà Nội (có tài liệu ghi là Nghệ An). Ông là con của trắc địa sư Phạm Văn Lạng và bà Đào Thị Ngọc Thư, vốn người ở Hà Nội sau đổi sang làm việc ở Campuchia. .
Năm 1943, gia đình Phạm Trọng Cầu trở về Sài Gòn. Ở Sài Gòn, mẹ ông mở nhà hàng ca nhạc mang tên Aristo. Tại đây, Phạm Trọng Cầu được tiếp xúc với những ban nhạc người Philippines và một số ca sĩ, nhạc sĩ danh tiếng Việt Nam, trong đó có Trần Văn Khê, Phạm Duy… Ông cũng được học mandoline trong một thời gian khi gia đình ông tản cư về Biên Hòa.
Sau khi Nhật đầu hàng quân Đồng Minh, gia đình ông trở lại Sài Gòn, rồi lại xuống Bến Lức, về miền Tây Nam bộ, đến tận Vũng Liêm… Ông sống và đi học tại Vũng Liêm, tham gia đội Tuyên truyền xung phong huyện.
Năm 1948, Phạm Trọng Cầu trở lại Sài Gòn, tham gia phong trào xuống đường đấu tranh của sinh viên học sinh. Một thời gian sau, ông thoát ly và vào bộ đội tiểu đoàn 308, rồi trung đoàn Cửu Long. Sau đó ông bị thương phải cưa chân, mẹ ông đã tìm cách đưa ông vào Sài Gòn cứu chữa. Chính thời gian này ông viết ca khúc đầu tay Trường làng tôi.
Năm 1953, Phạm Trọng Cầu vào học tại trường Quốc gia Âm nhạc và kịch nghệ Sài Gòn. Sau khi tốt nghiệp, năm 1962 ông sang Pháp thi vào Nhạc viện Paris (Conservatoire Supérieur de Musique de Paris). Và tại Paris, Pham Trọng Cầu đã viết bản Mùa thu không trở lại.
Năm 1969, ông về nước giảng dạy tại trường Quốc gia Âm nhạc và Kịch nghệ Sài Gòn, tham gia các đoàn văn nghệ như Nguồn Sống, sinh viên Phật tử Vạn Hạnh… và hoạt động nội thành. Năm 1972, ông bị bắt và bị giam cho đến 1975.
Sau ngày thống nhất đất nước, Pham Trọng Cầu về công tác ở Hội Văn nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, và là ủy viên Hội Âm nhạc thành phố. Từ năm 1976, ông đã cùng với một số nhạc sĩ khác như Trịnh Công Sơn, Trần Long Ẩn, Miên Đức Thắng, Hoàng Hiệp, Nguyễn Ngọc Thiện, Trương Thìn… thành lập nhóm Giới thiệu sáng tác mới tại Hội Trí thức yêu nước. Có thể nói đây là nhóm giới thiệu ca khúc có tổ chức đầu tiên tại thành phố Hồ Chí Minh sau 1975.
Pham Trọng Cầu còn cùng với nhạc sĩ Nguyễn Nam (Đài Truyền hình Thành phố Hồ Chí Minh) khuấy động phong trào ca hát thiếu nhi, thành lập các nhóm hát. Bản thân ông cũng có nhiều ca khúc thiếu nhi thành công như Nhịp cầu tre, Em nhớ mãi một ngày, Cho con.
Ông mất năm 1998 tại Thành phố Hồ Chí Minh.
Em ra đi mùa thu
Mùa thu không trở lại
Em ra đi mùa thu
Sương mờ giăng âm u
Em ra đi mùa thu
Mùa thu không còn nữa
Đếm lá úa mùa thu
Đo sầu ngập tim tôi
Ngày em đi
Nghe chơi vơi não nề
Qua vườn Luxembourg
Sương rơi che phố mờ
Buồn này ai có mua?
Từ chia ly
Nghe rơi bao lá vàng
Ngập dòng nước sông Seine
Mưa rơi trên phím đàn
Chừng nào cho tôi quên?
[…]