郭松齡出生于盛京東郊漁樵寨村(今遼寧省沈陽市東陵區深井子鎮趙家鋪村)，祖籍山西汾陽縣。據族譜溯源和后人代代傳述，郭家是唐朝名將汾陽王郭子儀的后裔。郭松齡的遠祖在明朝遷來東北戍邊，到清代由于世亂和兵禍，家業無存，其祖父一代遷到漁樵寨村落戶。郭松齡的父親郭復興曾想追求功名復興家業，但家境的衰落迫使他放棄進仕之路，在鄉村做了一名私塾先生。郭松齡的母親是一位典型的農村婦女，勤勞善良，盡管自家不富裕，也常救濟比自己更困難的人，這給郭松齡以很深的文化影響。

郭松齡19歲時，父親在省城找到一份工作，一家人的生活得以維持，而輟學7年的郭松齡也可以不用幫工種地了。1903年，郭松齡進入省城東南常王寨董漢儒先生開設的書院繼續學習，希望從此踏上仕途。在這里，郭松齡接觸并研習了一些新興知識學科，尤其是一些西學使他開闊了視野。但是，學習不到兩年，因日俄戰爭的爆發而再次被迫輟學。郭松齡的家鄉是日俄交戰區，炮火毀壞了許多房屋，居民也有不少被打死打傷。日俄戰爭的災難給郭松齡的觸動是巨大的，也由此動了從軍報國的念頭。

1905年秋，盛京將軍趙爾巽在奉天大北關設立奉天陸軍小學堂，以培養陸軍初級軍事人才。郭松齡懇求在將軍衙門當差的遠房姑爺做擔保推薦人，并以優異的成績受到主考人的賞識而如愿以償。

1906年，郭松齡被選入奉天陸軍速成學堂學習。這是一所全新的中等軍事學校，由趙爾巽在奉天陸軍小學堂內增設，以便加速培養軍事人才。郭松齡在這里學習期間和擔任教官的同盟會成員方聲濤的關系很密切，并從他那里接觸到民主革命的思想。

1907年，郭松齡以優等成績畢業。見習期滿后，充任盛京將軍衙門衛隊哨長(相當于排長)，由于帶兵嚴謹，勤于職守，深得陸軍統領朱慶瀾賞識。郭從此與朱結成親密的部屬關系，并長期追隨在朱的左右。

1909年，朱慶瀾調入四川駐防，任陸軍第三十四協協統。郭松齡隨他一同入川，任第六十八團連長。朱慶瀾雖不是同盟會會員，但很支持同盟會的活動。

在他的掩護下，軍中成立了同盟會組織，并聚集了一批同盟會會員，如程潛、方聲濤等人。1910年，郭松齡經方聲濤、葉荃的介紹加入新軍同盟會，成為同盟會早期成員之一。

1911年，四川發生保路運動，四川同盟會利用保路同志軍發動武裝起義，圍攻成都。已升為第六十八標第二營營長的郭松齡負責成都北部的防守，他對群眾婉言相勸，沒有發生流血沖突就解了圍。結果，川督趙爾豐以通匪嫌疑撤銷了他的營長職務，后在朱慶瀾的懇求下才恢復原職。武昌起義后，四川各地紛紛獨立，成都成立了“大漢四川軍政府”，朱慶瀾任副都督。但不久，川籍將領鼓動地方軍隊發動兵變，朱慶瀾與客籍將領被迫離開四川。與朱有密切關系的郭松齡也無法立足，辭職回到奉天。

1911年，升任第68標第2營營長。武昌起義后，朱慶瀾受排擠離開四川，郭松齡返回到奉天。在奉天參加了張榕領導的聯合促進會密謀起義，但遭清政府當局逮捕，欲處以斬首之刑，后經韓淑秀冒死攔截刑車，述說郭松齡是其未婚夫，返回奉天是為舉行婚禮，從未參加革命黨，才獲得釋放。郭松齡與韓淑秀結為夫婦。1912年郭松齡考入北京將校研究所。1913年秋，郭松齡考入中國陸軍大學，畢業后任北京講武堂教官。

1917年，孫中山組建護法軍政府，郭松齡投奔孫中山，后被委任為粵贛湘邊防督辦參謀、廣東省警衛軍營長，后轉任韶關講武堂教官。孫中山領導的護法運動失敗后，郭松齡無法留在廣州，只得返回奉天，任東三省陸軍講武堂戰術教官。

在此期間結識在講武堂學習的張學良。經張學良的推薦，郭松齡被張作霖委任參謀長兼第二團團長。1921年，張作霖又委任郭松齡為第八旅旅長，與張學良領導的第三旅組成司令部。

1922年第一次直奉戰爭中，奉軍全線潰敗，只有張學良與郭松齡領導的東路部隊有勝利，打破了吳佩孚突破山海關，實現直搗關東的計劃。1924年第二次直奉戰爭中，張學良與郭松齡擔任第三軍的正副軍長，與姜登選、韓麟春為正副軍長的第一軍作為奉軍的主力，擊潰直軍并獲得勝利。張作霖任命張學良為京榆駐軍司令部的司令，郭松齡任副司令。

張作霖將大批奉軍開入關內占領南方各省，郭松齡則提出要退出關內，保境安民，但建議卻未被張作霖采納，政治上又受到楊宇霆等人的排擠。1925年，郭松齡與夫人到日本考察軍事，聽聞張作霖正在日本購買武器，要與南方的國民軍開戰，郭松齡憤慨至極，遂決定聯絡馮玉祥共同反奉，事后卻被馮玉祥出賣。

1925年11月，郭松齡在灤州起兵，同時殺害了姜登選，發表反奉宣言。郭松齡率七萬大軍攻占山海關，奪取綏中、興城，沖破連山防線，占領錦州。奉軍全部退卻到遼河東岸據守。郭軍在攻打新民縣巨流河時，卻遭到日本關東軍襲擊，后方被從黑龍江來支援的奉系吳俊升切斷，白旗堡的彈藥庫被燒，日本飛機對郭軍陣地進行轟炸。

郭軍不敵，一敗涂地。郭松齡與夫人化妝逃跑，12月24日在新民縣一個農家的菜窯里被奉軍逮捕。25日，被押至遼中縣老達房后，郭松齡與夫人韓淑秀被槍決，張作霖命令曝尸三日方可收葬。