Nacido en Madrid en una familia musical (sus tíos Rodolfo y Ernesto también fueron notables compositores). En 1936, huyendo de la Guerra Civil Española, su familia se trasladó a Alemania, donde hizo sus estudios elementales. Regresaron a Madrid en 1939, y Halftter estudió composición con Conrado del Campo en el Real Conservatorio Superior de Música de Madrid, graduándose en 1951. Fuera del conservatorio estudió con Alexandre Tansman y André Jolivet.

Trabajó en la Radio Nacional de España, y estudió dirección de orquesta. En 1952, su Antífona Pascual obtuvo un resonante éxito, y en 1953 su Concierto para piano ganó el Premio Nacional de Música Nacional. Entre 1955 y 1963, fue director de orquesta de la Orquesta Falla. Siguió una exitosa carrera como compositor y director, escribiendo música que combinaba elementos tradicionales españoles con técnicas de vanguardia. En 1961 fue nombrado catedrático de composición y formas musicales en el Real Conservatorio de Madrid, siendo nombrado director de dicho centro entre 1964 y 1966.

En 1967 ganó becas para estudiar en la Ford Fundation de Estados Unidos y la DAAD de Berlín. Fue lector en la Universidad de Navarra entre 1970 y 1978 y en el Internationale Ferienkurse für Neue Musik en Darmstadt. Entre 1976 y 1978 fue presidente de la sección española de la ISCM (International Society for Contemporary Music), y al año siguiente fue director artístico del Estudio de música electrónica en la Fundación Heinrich Strobel Foundation en Friburgo.

En 1987 compuso por encargo su obra "Variaciones Dortmund II" para conmemorar la constitución de dicha ciudad alemana.

En 2000, Cristóbal Halffter, con 70 años, volvía a colocar su nombre en el panorama artístico. El 23 de febrero en el Teatro Real de Madrid se estrenó su ópera Don Quijote, con libreto de Andrés Amorós y basada en la obra inmortal de Cervantes y otros poetas españoles. Se compuso como ópera en un único acto entre diciembre de 1996 y mayo de 1999. En 2003 se graba la obra en dos CD en el Auditorio Nacional de Música con la Orquesta Sinfónica de Madrid y el Coro Nacional de España, dirigidos por su hijo Pedro Halffter. En 2004, se estrenó en Alemania (en la ciudad de Kiel).

El 4 de agosto de 2003, se dio el estreno mundial de Adagio en forma de rondo para orquesta, encargada por la Filarmónica de Viena, en el Festival de Salzburgo dirigido por Semyon Bychkov.

En mayo de 2008 estrena su segunda ópera, Lázaro, también en Kiel, para conmemorar el Centenario de su Teatro de ópera, encargo que se le realizó después del exitoso estreno de Don Quijote. Allí se realizó una grabación de la obra en DVD.

En la actualidad reside en el Castillo-Palacio de los Marqueses de Villafranca, ubicado en Villafranca del Bierzo, provincia de León. Su esposa hasta su fallecimiento en 2017 fue la pianista María Manuela Caro y Carvajal, hija de Mariano Caro y del Arroyo -III conde de Peña Ramiro, que representaba una rama menor de los marqueses de Villafranca del Bierzo-.

Cristóbal Halffter es uno de los compositores más importantes de la Generación del 51, grupo de artistas que renovaron el panorama musical español con la introducción de las técnicas musicales de la vanguardia europea, como el dodecafonismo y el serialismo. En dicho grupo también se considera a Ramón Barce, Josep Soler, Román Alís, Luis de Pablo, Carmelo Bernaola, Joan Guinjoan y otros, fundamentales en la música clásica española del siglo XX.

Sus primeras obras denotan una influencia más bien nacionalista, pero poco a poco fue evolucionando hacia un estilo más vanguardista, asumiendo las características más modernas de su tiempo dentro de un lenguaje personal. En él se mezclan la atonalidad, el dodecafonismo, el serialismo, las músicas concreta, electrónica, y también el uso de las formas clásicas.

Las Naciones Unidas le encargaron la cantata Yes, speak out (texto de Norman Corwin) para conmemorar el XX aniversario de la Declaración Universal de los Derechos Humanos. En 1981 recibió la Medalla de Oro de Bellas Artes.

Hay un grupo de obras donde queda patente su preocupación por la muerte y el más allá: Llanto por las víctimas de la violencia, para grupo de cámara y electroacústica (1971), Elegía a la muerte de tres poetas españoles (1975) y el Officium defunctuorum para orquesta y coro estrenada en Les Invalides de París (1979).

La mayor parte de su música está publicada por Universal Edition.