غلامحسین بنان در پانزدهم اردیبهشت ۱۲۹۰ در خانواده‌ای مرفه در محله قلهک به دنیا آمد.
نیای پدری بنان میرزا اسدالله خان وزیر لشکر، بزرگ خاندان نوری و لشگرنویس آقامحمدخان قاجار و فتحعلی شاه بود. میرزا اسدالله خان سه فرزند داشت که از میان آن‌ها میرزا نصرالله خان نوری اعتمادالدوله (میرزا آقاخان نوری) پس از قتل امیرکبیر، صدارت اعظم دربار ناصری را عهده دارد شد. یکی دیگر از فرزندانش به نام میرزا شکرالله امیرالامرا فرماندهی قشون توپخانه فارس را در اختیار داشت و دیگری به نام میرزا فضل الله خان وزیر نظام نوری، مدتی حکومت قم را عهده‌دار بود و پس از آن نیز به تولیت آستان قدس رضوی و نیابت دارالحکومه آذربایجان منصوب شد. او پدر میرزا کریم خان نوری بنان الدوله و پدر بزرگ غلامحسین بنان است.
میرزا کریم خان نوری بر خلاف اعقاب خود نتوانست رشد چندانی در عرصه سیاسی داشته باشد و تنها توانست برای مدتی مستوفی کرمان و خراسان باشد. پیش از آن نیز برای مدت کوتاهی محاسب اصطبل توپخانه و برات‌نویس گروه سوارکاران قشون بود. او ثروت فراوان خانوادگی را به تدریج از میان برد و با فروش املاک پدری خود به امرار معاش پرداخت و در آخر عمر به تنگدستی افتاد. با این وجود خانواده بنان در دوران کودکی او به معنای مشخص خانواده‌ای فقیر نبودند و باقیمانده ثروت پدری برای تامین یک زندگی نسبتا مرفه کافی بود. ضمن آنکه مادر بنان، شرف السلطنه نیز ثروت بسیاری داشت. او دختر شاهزاده رکن‌الدوله و برادرزاده ناصرالدین شاه بود.
میرزا کریم خان نوری صدای خوشی داشت و از دوستان موسیقی‌دان‌های برجسته‌ای چون حسینقلی، میرزا عبدالله، درویش خان، رضا قلی خان و ضیاءالذاکرین و مرتضی خان نی‌داوود بود. مادرش نیز در نواختن پیانو چیره دست بود و اغلب در مهمانی‌های خانوادگی و دوستانه به همراه همسرش به اجرای برنامه میپرداخت.
غلامحسین بنان به عنوان تنها فرزند این خانواده متمول، به جای آنکه به وادی سیاست و حکومت‌داری بپیوندد، به موسیقی علاقمند شد از نخستین سال‌های عمر خود به آموزش و فراگیری آن پرداخت. پدر و مادرش نخستین استادان آواز و نوازندگی بنان بودند. بعد از آن‌ها به توصیه مادر به شاگردی اساتید وقت موسیقی درآمد و نزد افرادی چون میرزا طاهر ضیاء ذاکرین رثایی و ناصر سیف به فراگیری موسیقی و نوازندگی پیانو پرداخت. همچنین به پیشنهاد و توصیه مرتضی خان نی داوود به خوانندگی نیز روی آورد و مکاتب آواز سنتی و ردیف‌های موسیقی ایرانی را فراگرفت.
بنان در سال ۱۳۱۵ خورشیدی به عنوان مسئول کارمند بخش بایگانی در اداره کل کشاورزی شهر تهران استخدام شد. پس از مدتی به اهواز منتقل و در شرکت ایران بار مشغول خدمت شد و توانست تا مقام معاونت این اداره ارتقاء مقام پیدا کند.
در سال ۱۳۲۱ به تهران آمد و به پیشنهاد فرخ که وزارت امور خواربار را بر عهده داشت، به عنوان منشی مخصوص وزیر به کار پرداخت.
بعد از تغییر کابینه به اداره کل غله و نان منتقل شد و برای مدتی مسئولیت کارگزینی و کفالت اداره کل تهران را بر عهده گرفت. او مدتی هم مسئولیت تحویل کوپن نان تهران را بر عهده داشت.
در همین سال‌ها بود که با مریم وزیری، خواهر کلنل علینقی وزیری ازدواج کرد. حاصل این زندگی مشترک که با مرزگ همسرش به پایان رسید، یک دختر به نام گیتی و یک پسر به نام بیژن است. سال‌ها بعد از مرگ همسر، بنان بار دیگر تشکیل خانواده داد و در نهم بهمن ۱۳۴۴ با پری دخت‌آور ازدواج کرد و تا پایان عمر در کنار او به زندگی ادامه داد.
وصلت با خاندان کلنل وزیری به فعالیت هنری بنان جهت داد و او را در ادامه جدی این مسیر ترغیب کرد.
با آغاز کار رادیو تهران به تدریج بنان به فعالیت در آن پرداخت و نخستین اجرای رادیویی خود را در ۳۱ اردیبهشت ۱۳۲۱ رقم زد. استقبال عمومی از برنامه‌های این خواننده ناشناس به تدریج او را زبانزد کرد، چنانچه در سال ۱۳۲۲، به درخواست روح‌الله خالقی که مسئولیت رادیو را بر عهده داشت از اداره کل غله و نان تهران به اداره کل هنرهای زیبای کشور منتقل و به عنوان استاد آواز هنرستان موسیقی ملی به کار مشغول شد.
در سال ۱۳۳۴ به ریاست شورای موسیقی رادیو منصوب می‌شود. یک‌سال بعد و با آغاز برنامه گل‌ها به دعوت داوود پیرنیا به ارکستر این برنامه پیوسته و به مدت ۱۵ سال به همکاری خود با آن ادامه می‌دهد. فعالیت‌های بنان در این برنامه است که جایگاه او را در مقام یکی از شاخص‌ترین اساتید آواز ایران تثبیت می‌کند.
هنوز یک سالی از آغاز برنامه پرطرفدار گل‌ها نگذشته بود که در ۲۷ دی ۱۳۳۶، سانحه تصادف باعث از دست رفتن بینائی یکی از چشمانش شد. این سانحه باعث شد تا غلامحسین بنان تا پایان عمر به اجبار از عینک دودی استفاده کند.
بنان در طول فعالیت هنری خود با اجرای تقریبی ۴۵۰ آهنگ، نقش مهمی در اعتلای موسیقی سنتی و آواز ایرانی دارد. او با رواج تصنیف‌خوانی، ترغیب عمومی به موسیقی ایرانی را افزایش داد و به ویژه در دوران رواج موسیقی‌های عامه پسند و لاله‌زاری به خط نشان و معیاری برای تشخیص هنر اصیل موسیقی تبدیل شد.
نوآوری‌های او در مکتب آواز ایرانی که به روزآمدی موسیقی آوازی ایران انجامید، در کنار تسلطش به شیوه‌های گوناگون آوازخوانی و تصنیف‌خوانی باعث شد تا موسیقی سنتی ایران از محاق درآمده و در جامعه رواج پیدا کند. از جمله آثار شاخص وی می‌توان آذربایجان، آمدی جانم به قربانت، الهه ناز، کاروان، بهار دلنشین، بوی جوی مولیان، توشه عمر، یار رمیده، می‌ناب، خاموش، مرا عاشقی شیدا، من از روز ازل، نوای نی و سرودای ایران اشاره کرد.
دو دهه پایانی عمر بنان به سکوت گذشت. ابتلای این استاد برجسته آواز ایران به بیماری جهاز هاضمه در کنار محدود شدن فعالیت‌های موس یقیایی در سال‌های نخست پیروزی انقلاب اسلامی باعث شد تا تقریبا از اوایل دهه پنجاه فعالیت چشم‌گیری از بنان شاهد نباشیم و این روند ادامه داشت تا اینکه سرانجام درساعت ۱۹ روز پنجشنبه، هشتم اسفند ۱۳۶۴، استاد بی‌بدیل آواز ایران در بیمارستان ایرانمهر قلهک چشم از جهان فرو بست.
پیکر بنان بر خلاف وصیتش به جای آرامستان ظهیرالدوله، در دهم اسفند ماه، در امام‌زاده طاهر کرج به خاک سپرده شد.
