Caetano Veloso est né à Santo Amaro da Purificação, dans l'État de Bahia. Le cinquième des sept enfants de José Telles Veloso (surnommé "Seu Zezinho") et de Claudionor Vianna Telles Veloso (Dona Cano) choisit le prénom de sa petite soeur Maria Bethânia, d'après une chanson célèbre de l'époque de Nelson Gonçalves.
Caetano Veloso commence en chantant de la bossa nova et cite d'ailleurs comme ses plus grandes influences de l'époque Dorival Caymmi. Grâce à l'influence des Beatles, ses collaborations avec Gilberto Gil, Gal Costa, Tom Zé, Chico Buarque et Os Mutantes ont débouché sur le Tropicalisme mêlant la pop brésilienne au rock & roll et à la musique d'avant-garde, ce qui a alors donné un son plus international, psychédélique et socialement engagé.
Le positionnement politique de Veloso, résolument à gauche, lui a valu de nombreux ennuis avec la junte militaire qui gouvernait le Brésil jusqu'en 1985. Ses chansons ont été fréquemment censurées, certaines interdites. Veloso a également été mis à l'écart de la gauche socialiste brésilienne à cause de ses influences musicales "non nationales". Lui et Gilberto Gil ont passé plusieurs mois en prison pour "activités anti-gouvernementales" en 1968, et se sont même exilés à Londres.
L'oeuvre de Veloso après son retour au Brésil en 1972 se caractérise par des appropriations constantes, non seulement de styles étrangers, mais aussi de rythmes folkloriques brésiliens presque oubliés, dont la célébration de la culture afro-brésilienne de Bahia.
Dans les années 1980, la popularité de Veloso se propage hors des frontières brésiliennes, surtout en Israël, au Portugal, et en France. En 2002, Veloso sort un livre sur ses premières années et le Tropicalisme, Tropical Truth : A Story of Music and Revolution in Brazil. Son premier album entièrement en anglais (A Foreign Sound), sorti en 2004, comprend une reprise de Come as you are de Nirvana. Cé est son grand retour discographique en 2006.
Veloso est l'une des pop-stars internationales les plus respectées et prolifiques, avec plus de 50 enregistrements disponibles, incluant des bandes originales de film comme Frida. En 2009, infatigable il publie l'opus Zii e Zie (Warner Music).
