Ο Κώστας Βάρναλης γεννήθηκε το 1884 στον Πύργο της Βουλγαρίας. Το 1898 τέλειωσε το Ελληνικό Σχολείο και γράφτηκε στα Ζαρίφεια Διδασκαλεία. Φοίτησε στη Φιλοσοφική Σχολή και πήρε μέρος στη διαμάχη για το Γλωσσικό Ζήτημα ως υποστηρικτής των δημοτικιστών.
Το 1907 συμμετείχε στην ίδρυση του ποιητικού περιοδικού Ηγησώ και τον επόμενο χρόνο αποφοιτά από τη Φιλοσοφική Σχολή και διορίζεται ελληνοδιδάσκαλος στην Αμαλιάδα. Τρία χρόνια αργότερα έγινε σχολάρχης στην Αργαλαστή του Πηλίου και μετά από κατηγορίες εναντίον του για εμπλοκή στην υπόθεση των Αθεϊκών του Βόλου μετατέθηκε στα Μέγαρα.
Πήρε μέρος στο Δεύτερο Βαλκανικό πόλεμο. Από το 1910 άρχισε να ασχολείται με τη λογοτεχνική μετάφραση και ως το 1916 ολοκλήρωσε τους Ηρακλείδες του Ευριπίδη, τον Αίαντα του Σοφοκλή, τα Απομνημονεύματα του Ξενοφώντα και τον Πειρασμό του Αγίου Αντωνίου του Φλωμπέρ.
Το 1919 έφυγε με υποτροφία για μετεκπαίδευση στην αισθητική και τη νεοελληνική φιλολογία στο Παρίσι. Η εκεί παραμονή του σηματοδότησε την ιδεολογική προσχώρησή του στο μαρξιστικό διαλεκτικό υλισμό, καρπός της οποίας στάθηκε το ποίημα Προσκυνητής. Το 1922 δημοσίευσε επίσης τους Μοιραίους στο περιοδικό Νεολαία και το ποίημα Λευτεριά στο περιοδικό Μούσα.
Το 1924 γύρισε στην Αθήνα και δίδαξε νεοελληνική λογοτεχνία στην Παιδαγωγική Ακαδημία υπό τη διεύθυνση του Γληνού. Το 1926 παύτηκε από τη θέση του ως καθηγητή της Παιδαγωγικής Ακαδημίας, αρχικά προσωρινά και στη συνέχεια οριστικά, με αφορμή ένα δημοσίευμα της Εστίας που δημοσίευσε ως παράδειγμα της αντεθνικής δράσης των μεταρρυθμιστών Παιδαγωγών ένα απόσπασμα από το ποίημά του, Το φως που καίει. Ο Βάρναλης στράφηκε στη δημοσιογραφία και έφυγε για τη Γαλλία ως ανταποκριτής της Προόδου.
Το 1927 επέστρεψε στην Αθήνα και τύπωσε τους Σκλάβους Πολιορκημένους. Το 1935 πήρε μέρος ως αντιπρόσωπος των Ελλήνων συγγραφέων στο Συνέδριο Σοβιετικών Συγγραφέων στη Μόσχα μαζί με το Γληνό και μετά από εντολή του Κονδύλη εξορίστηκε στη Μυτιλήνη και τον Άγιο Ευστράτιο.
Το 1956 τιμήθηκε από την Εταιρεία Ελλήνων Λογοτεχνών και το 1959 τιμήθηκε με το βραβείο Λένιν. Είχαν προηγηθεί μεταξύ άλλων εκδόσεις των έργων του Ζωντανοί άνθρωποι, Το Ημερολόγιο της Πηνελόπης, Ποιητικά, Διχτάτορες, Αισθητικά- Κριτικά (δύο τόμοι).
Το 1965 εκδόθηκε η τελευταία ποιητική συλλογή του με τίτλο Ελεύθερος κόσμος και το 1972 το θεατρικό έργο Άτταλος ο Γ.
Πέθανε στις 16 Δεκέμβρη του 1974. Μετά το θάνατό του κυκλοφόρησε η ποιητική συλλογή του Οργή Λαού, γραμμένη κατά τη διάρκεια της δικτατορίας .
