Dufay naît probablement à Cambrai, dans le nord de la France. Sa carrière commence au service de Philippe II de Bourgogne, qui est également un mécène important de la musique de l'époque. Dufay compose des chansons courtoises, des motets et des messes pour les cérémonies de la cour bourguignonne.
En 1420, Dufay s'installe à Liège, en Belgique, où il travaille pour l'évêque Jean II de Bavière. Il reste à Liège jusqu'en 1439, composant de nombreuses œuvres polyphoniques pour la cathédrale et le chapitre de la ville.
En 1439, Dufay retourne en France et travaille pour Charles VII, où il compose des motets et des messes pour la chapelle royale. Il a également une carrière prolifique à Bruges, où il compose pour les églises de Notre-Dame et de Saint-Donatien, ainsi que pour la cour bourguignonne lorsque celle-ci est à Bruges.
En 1453, Dufay revient en Belgique pour travailler à Tournai. Il compose des œuvres polyphoniques pour la cathédrale et le chapitre de la ville. En 1469, il retourne à Cambrai, où il travaille pour l'évêque Guillaume d'Estouteville jusqu'à sa mort.
Dufay a laissé un grand nombre d'œuvres, notamment des motets et des messes polyphoniques, qui ont été largement imprimées dans les recueils de musique de l'époque. Son style est marqué par son utilisation de la dissonance contrapuntique pour créer une sensation de mouvement et de tension. Sa musique est considérée comme un point culminant du style bourguignon, qui domine la musique polyphonique européenne au début du XVe siècle.
Dufay est mort avant le 29 juillet 1474 à Cambrai. Son influence est importante dans le développement de la musique polyphonique et continue à être appréciée aujourd'hui.