Nació el 16 de marzo de 1892 en la ciudad de Santiago de Chuco en Perú. Hijo de Francisco de Paula Vallejo Benítez y María de los Santos Mendoza Gurrionero, fue el menor de once hermanos.En 1910 intenta estudiar en la Facultad de letras de la Universidad Nacional de Trujillo, por tiempo después su situación económica lo obliga a retirarse, lo intenta de nuevo en 1911 para ello viaja a Lima e intenta inscribirse en Escuela de Medicina de San Fernando, vuelve ha abandonar, en las mismas circunstancias, ante esto toma la decisión de regresar a Trujillo donde se emplea como ayudante de cajero en una hacienda local. A lo largo de su vida será profesor, director de plantel, empleado de una agencia publicitaria, articulista y periodista. En 1923 viaja a Francia, donde llevó la difícil existencia del intelectual con los bolsillos vacíos.

Su obra ve luz por primera vez en cuando publica 1919 Los Heraldos Negros, para 1922 gana un concurso de ensayo con Más allá de la vida y la muerte, el dinero que recibe le permite publicar el segundo tomo de poemas Trilce. Un año más tarde 1923 aparecen Fabla salvaje y Escalas melografiadas. Pocos meses después se embarca en un viaje de aventura para Europa. Llega en julio a París. Pasará dos años en difícultades económicas y para sobrevivir se dedica al periodismo. Entrevista a personalidades como Gosset, Maiakovski, Reinhardt, Meyerhold, a la par de entablar amistad con Lipchitz, Unamuno, Dullin, Barrault, Tzara, Desnos, Portinari, entre otros. En esta etapa sufre una severa hemorragia producida por una mala praxis médica, salva milagrosamente la vida.

En 1925 funda en Paris la empresa Los grandes periódicos iberoamericanos, escribe artículos para las revistas Variedades y Mundial de Lima, sus colaboraciones se publicarán hasta 1930. Obtiene una beca otorgada por el gobierno español y en octubre viaja por primera vez a España. Renuncia a su empleo de secretario en Los grandes periódicos. En abril de 1927 hará lo mismo con la beca del gobierno español. En 1928 parte por primera vez a la Unión Soviética, rompe con el Aprismo y crea en París la célula marxista peruana. Julio 1923/24 - 1929 es la etapa artística de Poemas en Prosa, Contra el secreto profesional y Hacia reino de los Sciris, y es el período, aún apolítico, en que surge y se define con su primer viaje a la Unión Soviética la evolución ideológica revolucionaria de Vallejo. Entre 1929 y 1930 escribe El arte y la revolución, Moscú contra Moscú (obra teatral) . En 1931 logra publicar El tungsteno y Paco Yunque.

En 1932 se inicia la tercera y última etapa en la trayectoria literaria de Vallejo. Etapa de Poemas Humanos, Colacho hermanos, España aparta de mi este cáliz y La piedra cansada, Poemas humanos. Desde 1933 hasta su muerte se dedica a la actividad política revolucionaria desarrollada en el contexto de la guerra civil española El domingo 13 de marzo de 1938, luego de una corta agonía muere a consecuencia de un viejo paludismo reaparecido después de 20 o 25 años, esto como consecuencia de un estado general debilitado. Biblioteca Ayacucho publicó con el número 58 en la Colección Clásica: Obra poética completa, Poemas escogidos, Número 3, Colección Claves de América y Crónicas de poeta, Número 21, Colección La expresión americana.