Il entre à l'âge de 12 ans au Conservatoire National dans la classe d'harmonie de Jean Gallon. Dès 1927, il supplée son maître Charles Tournemire à la tribune de Sainte-Clotilde, avant de devenir organiste des Bénédictins. A partir de 1935, il enseigne le contrepoint à la Schola Cantorum, école dont il assumera la direction vingt-deux ans plus tard.

En 1936, il fonde avec Yves Baudrier, André Jolivet et Olivier Messiaen, le groupe Jeune France. Après la guerre, il est chargé de l'information musicale à la Radio. En 1969, il est nommé Inspecteur de la Musique et en 1971, administrateur de la Réunion des Théâtres lyriques nationaux.

Attaché aux traditions de la musique française, mais refusant le néoclassicisme, Daniel-Lesur a réussi à allier dans son œuvre rigueur et sensualisme et a toujours été fidèle à l'essentiel de ses convictions du début : "propager des œuvres exemptes de toute banalité aussi bien d'avant garde qu'académiques", "lutter pour rendre à l'art ses valeurs humanistes" avec une musique toute en "violence spirituelle".

Parmi ses ouvrages les plus connus figurent : les Variations pour piano et orchestre à cordes (1943) ; le Cantique des Cantiques, pour 12 voix (1953) ; la Symphonie des danses, (1958) ; le Bal du Destin, musique de film (1965) ; Andrea del Sarto, opéra (1969) ; Ondine, opéra (1982), La Reine morte, opéra (1987) ; la Fantaisie concertante pour violoncelle et orchestre composée à l'intention de Rostropovitch (1994) ; Encore un instant de bonheur, cantate écrite pour le Groupe Vocal de France (1994).