Chad Michael Murray est né le 24 août 1981 à Buffalo dans l'état de New York. Il a grandi entouré de 3 frères (Rex, Nick et Brandon), un demi-frère prénommé Tyler et sa soeur, Shannon.Son enfance n'a cependant pas été facile, car sa mère a abandonné sa famille quand il avait que dix ans.
À quinze ans, il se blesse pendant un match et atterrit à l'hôpital. C'est là que les infirmières lui conseillent de s'essayer au mannequinat. Deux ans plus tard, il participe à un salon sur la mode et se fait repérer par un agent californien, qui lui demande de venir le rejoindre à Hollywood.
Chad part à Los Angeles en 1999 et devient immédiatement mannequin pour des marques prestigieuses comme Gucci. Il obtient quelques petits rôles à la télévision et fait une apparition remarquée dans la série Diagnostic : Meurtre. Il accède aux rôles réguliers en devenant Tristan DuGrey dans la série Gilmore Girls.
La chaîne américaine The WB lui propose donc des apparitions dans sa série Dawson. Puis lorsque celle-ci s'arrête en 2003, Chad décroche un premier rôle dans Les Frères Scott.
Il a épousé le 16 avril 2005 Sophia Bush, rencontrée sur le tournage des Frères Scott. Le divorce a été officiellement prononcé en janvier 2007 après une demande d'annulation de mariage de la part de Sophia.
Depuis, il sort avec l'actrice Kenzie Dalton, l'une des figurantes dans Les Frères Scott de 7 ans sa cadette. Il l'a demandé en mariage et cette dernière a accepté. Le mariage est prévue pour l'été 2008.