Родился в семье лесника. После смерти отца Ицхак-Иосефа с 1880 по 1890 год жил в доме деда Якова-Мойше Бялика, толкователя Талмуда, в Житомире на Московской улице, дом 61.
В 17 лет уехал в Одессу в надежде издать свои стихи. Полгода прожил в нищете, но после знакомства с Равницким, которому понравилось стихотворение Бялика «К ласточке», начал публиковаться и был принят в литературную среду Одессы.
В 1893 году после смерти деда возвратился в Житомир, где женился, вместе с тестем начал вести предпринимательскую деятельность, занимаясь при этом и литературным творчеством, но через несколько лет окончательно переехал в Одессу. Здесь стал одним из соучредителей издательства «Мория» (закрытого советскими властями в 1921 году).
В 1902 году вышел первый сборник стихов Бялика. Сочинённая после кишинёвского погрома 1903 года поэма «Сказание о погроме» («В городе резни») сделала его одним из наиболее известных еврейских поэтов своего времени.
Участвовал в Сионистских конгрессах 1907 и 1913 годов. В 1921 году по ходатайству А. М. Горького, с личного разрешения В. И. Ленина, Бялик переехал в Берлин, а в 1924 году — в Тель-Авив. В 1934 году поехал лечиться в Вену, но после неудачной операции скончался 4 июля 1934 года. Похоронен в Тель-Авиве при огромном стечении народа.
Был женат на Мане Авербух. Мужем её сестры был Я. Б. Гамарник, таким образом Бялик и Гамарник приходились друг другу свояками. Детей у поэта не было.
Хаим Бялик — классик мировой литературы, его произведения переведены более чем на 30 языков. Он один из создателей современного литературного иврита, и его значение для еврейской литературы сравнивают со значением Пушкина для русской литературы, Бялик — признанный национальный гений. Бялик переводил на иврит произведения Шекспира, Сервантеса, Шиллера. Он стал также одним из основоположников детской литературы на иврите.
На стихи Бялика были написаны романсы (автор — А. Крейн).
В Израиле ежегодно присуждается литературная премия имени Бялика. Среди награждённых — Йегошуа Тан-Пай, Зрубавел Гилад, Хаим Гури, Натан Йонатан и др. В память поэта назван город. В каждом городе Израиля есть улица его имени. В Тель-Авиве на одноимённой улице существует дом-музей Бялика.
На родине Бялика, которую он называл «родимый мой край, колыбельная пристань», сохранился домик его деда.
Лучшим переводом Х. Бялика считается перевод на русский, сделанный В. Жаботинским при участии самого автора.
В интернете можно найти сайт, содержащий данные о членах семьи Х. Бялика. На данный момент количество родственников поэта превышает 600 человек.
Практически в каждом израильском городе есть улица, названная в честь поэта. В Израиле выпущена банкнота с его изображением и почтовая марка (1959 г.)
Банкнота достоинством 10 лир 1968 года выпуска, посвящённая Хаиму Нахману Бялику
Почтовая марка Израиля, посвящённая 25-летию со дня смерти Хаима Нахмана Бялика
Памятник Бялику в Рамат-Гане