Deveria ter o mesmo nome do pai, mas na madrugada em que nasceu, o seu pai foi para o terreiro da casa, viu uma estrela cadente e mudou de ideia. Era o dia de Santa Luzia e também mês do Natal, o que explica a adoção do sobrenome "Nascimento".
O lugar natal é no sopé da Serra do Araripe, e inspiraria uma de suas primeiras composições, "Pé de Serra". O seu pai trabalhava na roça, num latifúndio, e nas horas vagas tocava acordeão; também consertava o instrumento. Foi com ele que Luiz aprendeu a tocá-lo. Não era adolescente ainda quando passou a se apresentar em bailes, forrós e feiras, de início acompanhando seu pai. Autêntico representante da cultura nordestina, manteve-se fiel às suas origens mesmo seguindo carreira musical no sudeste do Brasil. O género musical que o consagrou foi o baião. A canção emblemática de sua carreira foi Asa Branca, composta em 1947 em parceria com o advogado cearense Humberto Teixeira.
Antes dos dezoito anos Luiz teve sua primeira paixão: Nazarena, uma moça da região. Foi rejeitado pelo pai dela, o coronel Raimundo Deolindo, que não o queria para genro e ameaçou-o de morte. Mesmo assim Luiz e Nazaré namoraram algum tempo escondidos e planeavam o futuro. Januário e Santana deram-lhe uma sova ao descobrirem que ele se envolveu com a moça. Revoltado por não poder casar-se com a moça, e por não querer morrer nas mãos do pai dela, Luiz Gonzaga fugiu de casa e ingressou no exército no Crato (Ceará). Durante nove anos viajou por vários estados brasileiros, como soldado, sem dar notícias à família. Não teve mais nenhuma namorada.
Em 1939, deu baixa do exército na cidade do Rio de Janeiro: Estava decidido a se dedicar à música. Na então capital do Brasil, começou por tocar nas áreas de prostituição da cidade. No início da carreira, apenas solava acordeão em choros, sambas, foxtrotes e outros géneros da época. Seu repertório era composto basicamente de músicas estrangeiras que apresentava, sem sucesso, em programas de calouros. Apresentava-se com o típico figurino do músico profissional: paletó e gravata. Até que, em 1941, no programa de Ary Barroso, foi aplaudido executando Vira e Mexe, com sabor regional, de sua autoria. O sucesso lhe valeu um contrato com a gravadora Victor, pela qual lançou mais de 50 músicas instrumentais. Vira e mexe foi a primeira música que gravou em disco.
Veio depois sua primeira contratação, pela Rádio Nacional. Lá conheceu o acordeonista gaúcho Pedro Raimundo, que usava os trajes típicos da sua região. Daí surgiu a ideia de apresentar-se vestido de vaqueiro, figurino que o consagrou como artista.
Em 11 de abril de 1945, gravou sua primeira música como cantor, no estúdio da RCA Victor: a mazurca Dança Mariquinha em parceria com Saulo Augusto Silveira Oliveira.
Também em 1945, uma cantora de coro chamada Odaléia ‘Léia’ Guedes dos Santos deu à luz um menino, no Rio. Luiz Gonzaga mantinha um caso havia meses com a moça, iniciado quando já estava grávida. Sabendo que sua amante seria mãe solteira, assumiu a paternidade da criança, adotando-o e dando-lhe seu nome: Luiz Gonzaga do Nascimento Júnior.
Odaléia, que além de cantora de coro era sambista, foi expulsa de casa por ter engravidado do namorado, que não assumiu a criança. Foi parar nas ruas, até ser ajudada, descobrindo-se seu talento para cantar e dançar, passando a se apresentar em casas de samba no Rio, quando conheceu Luiz. A relação com Luiz era conflituosa e, após o nascimento do menino, piorou, com muitos ciúmes. Separaram‐se com menos de 2 anos de convivência. Léia criou o filho, e Luiz os visitava.
Em 1946 voltou pela primeira vez a Exu (Pernambuco), e reencontrou os seus pais, Januário e Santana, que havia anos não sabiam nada sobre o filho e sofreram muito esse tempo todo. O reencontro com seu pai é narrado em sua composição Respeita Januário, em parceria com Humberto Teixeira.
Em 1948, casou-se com a pernambucana Helena Cavalcanti, professora que se tornara a sua secretária particular, e por quem se apaixonou. O casal permaneceu até o fim da vida de Luiz. Não tiveram filhos biológicos, por Helena não poder engravidar, mas adotaram uma menina, a quem batizaram de Rosa.
Nesse mesmo ano Léia morreu de tuberculose, para desespero de Luiz. O filho deles, apelidado de Gonzaguinha, ficou órfão com 2 anos e meio. Luiz queria levar o menino para morar com ele e Helena, e pediu para a mulher criá-lo como se fosse dela, mas Helena não aceitou, juntamente com sua mãe, Marieta, que achava aquilo um absurdo, já que nem filho verdadeiro de Luiz era. Luiz não viu saída: entregou o filho para os padrinhos da criança, Leopoldina e Henrique Xavier Pinheiro, criarem-no no Morro do São Carlos. Luiz sempre visitava a criança e a sustentava financeiramente. Xavier o considerava filho de verdade e lhe ensinava viola, e o menino teve em Dina uma mãe.
Na adolescência, o jovem se tornou rebelde: não aceitava ir morar com o pai, já que amava os padrinhos e odiava ser órfão de mãe, e dizia sempre que Luiz não era seu pai biológico, o que o entristecia. Helena detestava o menino e vivia implicando com ele, humilhando-o, e por isso Gonzaguinha também não gostava da madrasta, o que os afastou e causou mais brigas entre pai e filho, já que Luiz dava razão à esposa. Não vendo medidas, internou o jovem em um colégio interno, para desespero de Dina e Xavier. Gonzaguinha contraiu tuberculose aos 14 anos e quase morreu. Aos 16, Luiz pegou-o para criar e o levou a força para a Ilha do Governador, onde morava, mas por ser muito autoritário e a esposa maltratar o garoto, o que gerava brigas entre Luiz e Helena, Gonzaga mandou o filho de volta ao internato.
Ao crescer, a relação ficou mais tumultuada, pois o filho se tornou um malandro, viciado em bebidas alcoólicas. Gonzaguinha resolveu se tratar e concluiu a universidade, tornando‐se músico como o pai. Pai e filho ficaram mais unidos quando, em 1979, viajaram o Brasil juntos, compondo juntos. Tornaram‐se, enfim, amigos.
Era maçom e compôs "Acácia Amarela", com Orlando Silveira. Foi iniciado na Loja Paranapuan, Ilha do Governador, em 3 de abril de 1971.
A Barragem Hidroelétrica Luiz Gonzaga é uma homenagem ao cantor.
Em 2012, foi tema do Carnaval da GRES Unidos da Tijuca, com o enredo "O Dia em Que Toda a Realeza Desembarcou na Avenida para Coroar o Rei Luiz do Sertão", fazendo com que a escola ganhasse o carnaval carioca deste respectivo ano.
Ana Krepp da Revista da Cultura escreveu: "O rei do baião pode ser também considerado o primeiro rei do pop no Brasil. Pop, aqui, empregado em seu sentido original: o de popular. De 1946 a 1955, foi o artista que mais vendeu discos no Brasil, somando quase 200 gravados e mais de 30 milhões de cópias vendidas. 'Comparo Gonzagão a Michael Jackson. Ele desenhava as próprias roupas e inventava os passos que fazia no palco com os músicos', ilustra [o cineasta] Breno [Silveira, diretor de Gonzaga — De pai para filho]. Foi o cantor e músico também o primeiro a fazer uma turnê pelo Brasil. Antes dele, os artistas não saíam do eixo Rio-SP. Gonzagão gostava mesmo era do showbizz: viajar, fazer shows e tocar para plateias do interior."
Em 2012, o filme de Breno Silveira Gonzaga, De Pai Pra Filho, narrando a relação conturbada de Luiz com o filho Gonzaguinha, em três semanas de exibição já alcançara a marca de 1 milhão de espectadores.