Ông là con thứ 6 của Trần Thái Tông, sinh tháng 4 năm ất Mão (1255) tại hoàng cung Thăng Long. 30 năm sau, tháng 4 năm ất Dậu , ông trở thành người anh hùng trong trận Hàm Tử nổi tiếng.
Sử cũ truyền rằng, khi ông sinh ra, ở cánh tay có chữ Chiêu Văn đồng tử , Nhà vua bèn lấy chữ đó đặt tên hiệu cho ông. Lúc lớn lên, ông rất thông minh, có tiếng là người học rộng, hiểu biết nhiều lĩnh vực tri thức.
Những văn thư của triều đình phần nhiều do ông thảo.Vua Anh Tông có hai mũ võ, tức là mũ để đội trong khi duyệt giảng võ mà chưa biết đặt tên là gì. Khi Anh Tông đi đánh Chiêm Thành, định đội để đi, sai Trần Nhật Duật đặt tên, ông bèn đặt một cái là Uy Vũ, một cái là Uy Đức. Những tiết tấu âm nhạc, khúc điệu múa hát đều do ông làm ra. Tiếc rằng những sáng tác âm nhạc của ông đều không còn đến ngày nay.
Ông thông hiểu tiếng nói và phong tục của nhiều dân tộc trong và ngoài nước. Người nước ngoài đến kinh đô, nếu là người Tống ông ngồi ghế đối diện, đàm luận cả ngày; là người Chiêm hay các dân tộc khác thì tùy theo quốc tục của họ mà tiếp đãi. Sứ của nước Sách Mã Tích (không rõ nay là nước nào) sang cống, không tìm được người thông dịch, duy chỉ có ông dịch được. Mỗi khi tiếp sứ Nguyên, ông đều nói chuyện trực tiếp, không mượn người phiên dịch. Sứ giả tưởng ông là người Chân Định (Trung Quốc) sang làm quan Đại Việt. Trần Nhân Tôn (cháu của Trần Nhật Duật) thường nói: chú Chiêu Văn có lẽ là kiếp sau của người phiên lạc nên nói được tiếng các nước .
Năm Canh Thìn (1380), thổ tù ở đạo Đà Giang là Trịnh Giác Mật tụ tập đồ đảng cướp bóc dân chúng. Bấy giờ, Trần Nhật Duật trông coi đạo Đà Giang, lĩnh mệnh triều đình đến dụ hàng. Giác Mật nghe tin, cho người đến nói: "Mật không dám trái lệnh. Nếu ân chúa đi ngựa một mình đến thì Mật xin hàng . Ông nhận lời, chỉ đem theo vài tiểu đồng đi theo đến trại Mật. Ông dùng tiếng nói của họ để đối đáp, lại cùng với Mật ăn bằng tay, uống bằng mũi. Mật thích lắm, đem gia thuộc xin hàng. Mọi người đều thỏa dạ và kính phục Trần Nhật Duật, không mất một mũi tên mà bình được Đà Giang.
Năm ất Dậu(1285), quân Nguyên xâm lược Đại Việt lần thứ hai. Trần nhật Duật bấy giờ đang trấn thủ Tuyên Quang. Trước thế mạnh của quân giặc từ Vân Nam xuống tiến đánh quân Đại Việt ở trại Thu Vật, Tuyên Quang, ông đã thực hiện cuộc rút lui chiến lược theo con đường từ Yên Bình về Bạch Hạc rồi vượt qua vùng các dân tộc thiểu số rút về chỗ vua Trần đóng quân.
Cuối tháng 4 năm ấy, ông lập chiến công vang dội ở trận Hàm Tử. Giặc bị thiệt hại nặng, bỏ chạy tan tác. Chép về trận này, cuốn Đại Việt sử ký toàn thư cho rằng "công đánh giặc Nguyên, Nhật Duật lập được nhiều hơn cả .
Năm Nhâm Dần(1302), vua Trần Anh Tông phong Chiêu Văn Vương Trần Nhật Duật làm Thái úy Quốc công cùng vua trông coi việc nước. Đến đời Minh Tông năm Giáp Tý(1324) phong Tá thánh Thái sư, năm Kỷ tỵ(1329) lại phong Đại vương.
Ông là người làm việc giỏi, ngay thẳng. Vợ ông là Trinh có lần nhờ ông một việc riêng. Ông gật đầu, nhưng đến khi ra phủ, người thư ký đem việc ấy ra trình, ông không cho.
Trần Nhật Duật là người nhã nhặn, độ lượng, khoan dung, mừng giận không lộ ra sắc mặt. Trong nhà không chứa roi vọt để đánh gia nô.
Một lần có kẻ kiện gia tỳ của ông với Quốc phủ (tức Trần Quốc Tuấn). Quốc phủ sai người đến bắt. Người gia tỳ chạy vào trong phủ. Người đi bắt đuổi đến giữa nhà, bắt trói ầm ỹ. Phu nhân khóc, nói: Ông là tể tướng mà Bình chương cũng là tể tướng, chỉ vì ông nhu quá nên người ta mới khinh rẻ đến thế". Ông vẫn tự nhiên, chẳng nói gì, sai người bảo gia tỳ rằng: "Mày cứ ra, đâu đâu cũng đều có phép nước .
Ông mất năm Canh Ngọ (1330) đời Trần Hiến Tông, thọ 77 tuổi. Tên tuổi và sự nghiệp của ông gắn liền với chặng đường vinh quang nhất của triều Trần.