诺罗敦·西哈努克1922年10月31日生于金边，系诺罗敦和西索瓦两大王族的后裔，已故诺罗敦·苏拉玛里特国王和哥沙曼·尼亚里丽王后之子。
他早年曾就读于越南西贡（今胡志明市）和法国巴黎，1941年4月被王位委员会推选为国王。1946年至1948年，他在法国索缪尔骑兵军事技术及装甲兵学院接受高等教育。1952年至1953年，他以柬埔寨国王身份向法国提出独立要求，并于1953年11月9日使柬埔寨获得完全独立。
1955年4月，西哈努克将王位让与其父苏拉玛里特后，开始组建“人民社会同盟”，并亲自担任该联盟主席至1970年。
1955年4月，他代表柬埔寨出席万隆亚非会议，并宣告柬埔寨为中立国。
1955年至1957年，他3次出任柬埔寨首相兼外交大臣，并于1956年2月至9月任柬埔寨王国驻联合国常任代表。
1956年，他与南斯拉夫总统铁托、阿拉伯联合共和国总统纳赛尔、印尼总统苏加诺和印度总理尼赫鲁共同签署了不结盟运动宣言，成为不结盟运动的缔造者之一。1958年7月，他再次出任柬埔寨首相。
1960年其父逝世后，西哈努克宣誓就任国家元首。
20世纪70年代，柬埔寨发生了历史性的悲剧。1970年3月，美国扩大侵略越南战争，鼓励柬埔寨内阁首相朗诺发动军事政变，推翻国家元首西哈努克，建立亲美叛国的反动政权。在这种情形下，中国领导人毛泽东、周恩来亲切接待了流亡到北京的西哈努克亲王，同意他及其家属长期留住北京。
在此期间，柬埔寨人民革命党总书记波尔布特也秘密来华访问。由于各种原因，他没能同西哈努克会面。周总理在会见波尔布特时表示，柬埔寨共产党应从国家前途出发，共同反对敌人，实现国家独立和民族解放。回国后，波尔布特马上召开中央会议，并以人民革命党的名义向西哈努克发来信函，表示愿同柬埔寨各派组织进行合作。
在中国的力促下，越南、老挝、柬埔寨的最高领导于1970年4月24日在广州举行印支三国四方首脑会议。我和外交部副部长韩念龙先期到达广州做准备，把会议地点确定在珠江畔的珠岛宾馆。参加会议的有越南总理范文同、南越民族解放阵线主席阮友寿、老挝爱国战线主席苏发努冯、柬埔寨民族统一阵线主席西哈努克、柬民族团结政府首相宾努。
会议期间，周恩来总理乘专机来到广州，同三国四方领导人进行了重要会谈。他提出五项建议：揭露美国扩大侵略越南的阴谋；印支三国人民要团结一致，争取独立和平，谴责朗诺进行政变，支持西哈努克为首的政权；印支三国要相互尊重，加强团结，和睦相处；呼吁东南亚和世界各国给予大力支持和帮助。三国领导人纷纷发言，支持周总理的主张，最后他们达成了《印支三国联合声明》。当晚，周总理在为他们举办的宴会上说，七亿中国人民是印支三国人民的坚强后盾，辽阔的中国领土也是印支三国的可靠后方！
会议结束后，西哈努克回到北京。那天正逢五一节，毛泽东主席在人民大会堂同西哈努克进行了长达两个小时的亲切交谈。西哈努克详细介绍了三国四方首脑会议的成绩，并真诚地表达了对中国政府的感激之情。毛主席说：“您不要这样说，我们欢迎你们常住北京，支持你们努力工作，尽可能协助你们的救国事业。我喜欢您的讲话，内容坦率，思想真诚，您好像有共产党党员的资格！”西哈努克哈哈大笑地说道：“毛主席！我真的不是共产党员，也不具备加入共产党的资格。为了民族解放和国家独立，我可以同国内共产党联合，共同抗击外国侵略！”
西哈努克提出建立民族统一阵线和联合政府的方针，得到中国、越南、老挝等国的支持。柬国内各派也十分赞赏，一些重要人物和流亡国外的人士纷纷来到北京。
1970年5月4日，西哈努克在北京钓鱼台宾馆举行了第一次全体会议。经过多次讨论，通过了民族统一阵线的政治纲领，推举西哈努克担任阵线主席。随后，民族统一阵线举行会议，决定成立民族团结政府，推举西哈努克继任国家主席，宾努为内阁首相，乔森潘为副首相兼国防部长，通过了12位内阁成员。为了避免外国媒体指责他们是流亡政府，会议决定将团结政府分为两部分，一部分设立在中国北京，负责外交事务，争取外国支援，配合国内的政治和军事战略；另一部分设在柬国内解放区，负责国内的战略和军事斗争。
柬埔寨在北京成立统一阵线和团结政府后，周总理指示外交部给他们选择一处办公地点。最后选择了位于海淀区的友谊宾馆。当年7月，民柬团结政府搬进友谊宾馆，柬埔寨国旗在门前高高升起。在为此举行的仪式上，西哈努克激动地说：“我衷心感谢周总理为我们政府安排了办公楼，这是民柬政府的大厦，面积很大，庄重豪华，比我们金边政府的办公楼还大，我们政府在此工作必然顺利。”周总理表示：中国大力支持柬埔寨在北京成立团结政府，并决定每年向他们提供500万元人民币的捐款，并提供警卫人员和汽车队。
西哈努克及其家属流亡中国以来一直住在钓鱼台宾馆五号楼。但是，当时中国正进行文化大革命，“四人帮”也在钓鱼台常住，警察密布，戒备森严，使外宾有所不便。为此，周总理要求外交部给他们选择一个新住址。几年前西哈努克访华时，曾住在东交民巷15号宾馆，那是清朝法国驻北京的公使馆。
1970年12月，东交民巷15号修缮一新，西哈努克和夫人等从钓鱼台搬迁到此处。外交部还在东面一座小楼上成立了接待处，协助西哈努克工作。
西哈努克和家人搬进东交民巷后，周总理和夫人到此亲临看望。他向西哈努克表示，这里居住条件不错，是独门独院，建议将此院改名为“柬埔寨元首府”。几天之后，一位西方记者到此宾馆采访西哈努克。记者问：“您是柬埔寨亲王，又是佛教人物，您在中国成立了流亡政府，您也想充当中国的傀儡吗？”西哈努克激动地怒斥那位记者：“你胡说八道！我绝不是中国的俘虏，更不是中国的傀儡。我在中国长期留住的原因是，中国支持我们反抗美国侵略，给了我们很大帮助。另一原因是，中华人民共和国的伟大领袖毛泽东和周恩来总理是我们尊重的好朋友！”
柬埔寨民族团结政府成立后，为支持他们的和平解放，中国政府同民柬团结政府每年都签署无偿军事援助的协议。当时，由于柬埔寨伪军控制着交通要道，中方运输武器准备的惟一通道就是著名的“胡志明小道”。这条道路从越南北方经过老挝南部进入柬埔寨东北部地区，全长1200多公里。周总理得知此项工程，便派方毅赴越南考察。经过多次踏访和会谈，中越双方达成协议。周总理决定，中方要同越方全面合作，进一步改建和扩建“胡志明小道”。随着道路的开通，车辆运输时间从半个月缩减到五天，中国政府派军事人员把武器装备和援助资金运送到柬埔寨。最初运输车辆只有几十部，后来猛增到1974年的1500辆，几年里中国援助柬埔寨的物资总金额达到几亿元人民币。1973年2月至4月，西哈努克曾从北京经过越南河内，经过这条“胡志明小道”回国。
1974年4月17日，民族统一阵线在柬埔寨取得全面胜利后，他就任民主柬埔寨国家主席。1976年4月，他辞去国家主席职务。
1975年4月17日，朗诺伪政权被打败，首都金边获得了彻底解放。
1975年8月，波尔布特派乔森潘到北京迎接西哈努克元首回归祖国。
毛主席和周总理嘱咐当时的党政主要负责人邓小平、叶剑英为西哈努克及其家人送行。西哈努克十分感谢地说：“中国给我们大量的、慷慨的、兄弟般的、无条件的、多形式的支援，使我们取得了历史性的胜利。我相信，今后中国仍然是我们柬埔寨的头等支持者！”在回国前夕，他特意写了一首歌曲《我亲爱的第二祖国》，歌词中写道：“啊！光荣伟大的中国，我向你致敬，我衷心热爱你，把你当作我的第二祖国！”
1981年3月，他成立争取柬埔寨独立、中立、和平与合作民族团结阵线，并亲自担任主席至1989年8月27日。
1982年7月9日，他就任民主柬埔寨（1990年2月3日改名为柬埔寨）主席。1991年7月17日，他被推举为柬埔寨全国最高委员会主席。同年10月23日，他率柬埔寨全国最高委员会全体成员出席巴黎会议，并签署了“关于全面政治解决柬埔寨冲突的协定”。11月14日返回金边后，他被柬埔寨四方一致拥戴为国家元首。
1993年6月14日，柬制宪会议通过决议，完全恢复西哈努克亲王在1970年3月18日违宪政变前的一切权力和地位，并授予他国家元首的所有权力。同年9月24日，柬埔寨颁布新宪法，恢复君主立宪制。同日，王位委员会一致选举西哈努克为国王、终身国家元首。2004年10月6日，西哈努克国王发表告同胞书，宣布由于健康等原因决定退位。
西哈努克国王是中国人民的老朋友。他长期致力于中柬友好事业，并多次访问中国。他曾先后创作了《怀念中国》、《万岁，人民中国；万岁，主席毛泽东》和《啊，中国，我亲爱的第二祖国》等赞颂中柬友好的歌曲。他也曾多次慷慨解囊，向中国遭受自然灾害的地区捐款。
1999年4月30日，应中国国家主席江泽民的邀请，西哈努克国王在莫尼列王后的陪同下到中国昆明出席99昆明世界园艺博览会开幕式。
西哈努克1952年4月与诺罗敦·莫尼列·西哈努克结婚。他们生育了诺罗敦·西哈莫尼国王和诺罗敦·诺林达拉邦王子。
充满传奇色彩、先后两度登上王位的西哈努克尽管年事已高，而且患有多种疾病，但目前的健康状况依然良好。家事、国事、天下事，西哈努克仍事事关心，时常通过宫廷月报和网站对有关国计民生的事情发表意见。在柬国内各政治派别之间明争暗斗出现危机时，也都是西哈努克及时出面调解，打破僵局，并因此被柬埔寨国内誉为“民族和解之父”。
2002年11月，东盟“10＋3”首脑会议在金边举行。热情好客的国王在会议之余在王宫设盛宴招待来访的各国首脑。那一晚的王宫灯火通明，充满了欢歌笑语。西哈努克在舞会上特邀两位女元首——梅加瓦蒂和阿罗约跳起了华尔兹。他舞姿翩翩，舞步轻盈，震惊四座。晚会持续了4个多小时，国王除了微笑着热情招待来宾，还即兴演唱了十几首自己作词作曲的歌曲，博得满堂喝彩。云升首相说，“这次东盟首脑会议如此圆满，尊敬的国王功不可没”。