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Nacque a Waukegan, nell'Illinois, il 22 agosto del 1920, figlio di Leonard Spaulding Bradbury, un operaio elettrico statunitense di origini inglesi, e di Esther Bradbury (nata Moberg), una casalinga svedese. Nel 1934, durante la Grande depressione, a causa della quale il padre rimase disoccupato, si trasferì con la propria famiglia in California, dove scoprì il mondo della fantascienza, tanto da iniziare a scrivere alcuni racconti sulle riviste del settore. Tra le sue prime opere si contano anche racconti polizieschi e noir.

Nel 1950 raccolse in un unico volume le sue Cronache marziane, che ottennero un vasto successo internazionale. L'anno successivo seguì il romanzo breve Gli anni del rogo (The Fireman) sulla rivista Galaxy Science Fiction, espanso nel 1953 nel capolavoro per cui è maggiormente ricordato, Fahrenheit 451, una sorta di elogio alla lettura ambientato in una società distopica, da cui fu tratto un film omonimo diretto da François Truffaut.

Negli anni successivi Bradbury intraprese la carriera di sceneggiatore cinematografico, iniziata con Moby Dick, la balena bianca di John Huston, senza però dimenticare la sua carriera di romanziere. Si ricordano infatti Il grande mondo laggiù, Io canto il corpo elettrico!, Paese d'ottobre, Il popolo dell'autunno, Viaggiatore del tempo, l'ambizioso giallo Morte a Venice e il più leggero Il cimitero dei folli e Le auree mele del sole.

Nel 2006 è stato insignito del titolo di duca di Diente de León (un riferimento al romanzo Dandelion Wine) dal sovrano del Regno di Redonda. Negli ultimi anni della sua vita si dimostrò sfavorevole ai libri in formato elettronico, tanto da impedire che le proprie opere venissero pubblicate in forma digitale. Solo nel 2011 ha consentito di pubblicare in formato elettronico il suo romanzo di maggior successo, Fahrenheit 451, sostenendo comunque di preferire il formato cartaceo.

È morto all'età di 91 anni il 5 giugno 2012 a Los Angeles, nella villa dove si era ritirato.