Fils de pharmacien, Charles Lloyd est né le 15 mars 1938 à Memphis (Tennessee).
Saxophoniste autodidacte depuis l'âge de neuf ans, son meilleur ami Booker Little devient un trompettiste reconnu. Quant à Charles Lloyd, il accompagne le jazzman Coleman Hawkins et les chanteurs de blues et rhythm'n'blues Howlin' Wolf, B.B. King et Bobby Blue Bland avant d'étudier la musique classique à l'Université de Californie en 1956, et de jouer à Los Angeles avec Ornette Coleman, Eric Dolphy, Bobby Hutcherson ou Gerald Wilson.
En 1960, il intègre le groupe du batteur Chico Hamilton ; on l'entend sur les albums Transfusion 1962, puis A Different Kind of Journey, A Man from Two Worlds et Passin' Through en 1963. Lors de quelques séjours new-yorkais, il cotoie John Coltrane - qui l'influencera profondément -, Miles Davis et Cannonball Adderley, dont il intègre le sextette.
En 1965, Charles Lloyd se lance en leader avec les albums Discovery! et Of Course, Of Course. Il forme ensuite son premier et légendaire quartette avec Keith Jarrett (piano), Cecil McBee (basse) et Jack DeJohnette (batterie), et enregistre Dream Weaver, Charles Lloyd in Europe et Love-In en 1966. Surtout, il grave le phénoménal Forest Flower: Charles Lloyd at Monterey (1966) lors du festival californien ; le disque imprégné de free jazz et d'influences des musiques du monde est un large succès vendu à plusieurs millions d'exemplaires.
La séparation du quartette et le décès de sa mère plongent Charles Lloyd dans une période de retrait total durant laquelle il se consacre à la méditation. De retour avec l'album Weavings en 1978, il engage le jeune pianiste Michel Petrucciani (Montreux 1982) avec qui il tourne et enregistre (A Night in Copenhagen, 1983).
À la fin des années 1980, Charles Lloyd effectue un retour remarqué avec le pianiste suédois Bobo Stenson sur le remarquable Fish Out of Water (1989). Ses albums ECM dominés par de longues plages apaisées et des sonorités douces se succèdent à un rythme régulier : Notes from Big Sur (1991), le magnifique Canto (1996), Voice in the Night (1999, avec John Abercrombie), The Water Is Wide (2000, avec Brad Mehldau), Hyperion With Higgins (2001) et Which Way Is East (2004).
En 2006, le live Sangam est réalisé avec le joueur indien de tablas Zakir Hussain, et en 2008, Rabo de Nube accueille la jeune merveille du piano Jason Moran, présent sur Mirror en 2010 aux côtés de Reuben Rogers (basse) et Eric Harland (batterie). En 2013, Charles Lloyd et Jason Moran s'associent pour un hommage à la musique américaine sur Hagar's Song, dont le titre « Hagar's Lullaby » fait référence à une aïeule du saxophoniste, vendue comme esclave à l'âge de dix ans. En 2014, le nouvel album du saxophoniste, Manhattan Stories, réunit un quartette inédit complété par Gabor Szabo (guitare), Ron Carter (contrebasse) et Pete La Roca (batterie).
C'est avec un autre quatuor composé de Gerald Clayton (piano), Joe Sanders (basse) et Gerald Cleaver (batterie), complété par les musiciens grec Sokratis Sinopoulos (virtuose de la lyre) et hongrois Miklos Lukacs (maître du cimbalom), que Charles Lloyd joue la suite Wild Man Dance commandée pour le festival Jazztopad de Wroclaw (Pologne), éditée en 2015.
Le saxophoniste reprend ensuite un projet commencé deux ans plus tôt avec le guitariste Bill Frisell. L'album de reprises I Long To See You qui paraît en 2016 sous le nom de Charles Lloyd & the Marvels convie Greg Leisz (guitare), Reuben Rogers (basse), Eric Harland (batterie) et les interprètes Norah Jones (« You Are So Beautiful ») et Willie Nelson (« Last Night I Had The Strangest Dream »). Il part en tournée avec la même section rythmique et le pianiste Jason Moran. Ce nouveau quartette, inédit, s'arrête notamment au Festival de Montreux et à Santa Fé (Nouveau-Mexique, États-Unis), où est enregistré la matière de l'album Passin' Thru. En 2018, la formation Charles Lloyd & the Marvels est de retour pour son deuxième album Vanished Gardens avec la participation de la chanteuse Lucinda Williams sur quatre titres de son répertoire et une reprise de « Angel » d'après Jimi Hendrix.
