Après avoir été enfant acteur entre sept et douze ans dans plus d'une quinzaine de films (il a notamment joué avec le Piccolo Teatro di Milano sous la direction de Giorgio Strehler et a interprété Mozart à huit ans dans le téléfilm de Marcel Bluwal), Karol Beffa entreprends des études générales, parallèlement à des études musicales.

Reçu premier à l'Ecole Normale Supérieure, il étudie l'histoire (licence), l'anglais (maîtrise), la philosophie (Master à l'université de Cambridge) et les mathématiques. Entré au CNSM de Paris en 1988, il y obtient huit premiers Prix (harmonie, contrepoint, fugue, musique du XXe siècle, orchestration, analyse, accompagnement vocal, improvisation au piano). Reçu premier à l'agrégation de musique, il enseigne à l'Université Paris IV-Sorbonne (1998-2003). En 2003, il est docteur en musicologie en soutenant une thèse sur les Etudes pour piano de Ligeti. Depuis 2004, il est Maître de conférence à l'Ecole Normale Supérieure. Il a été élu, en 2012-2013, à la chaire annuelle de création artistique au Collège de France et a soutenu en 2015 une Habilitation à diriger des recherches.

En 2000, la Biennale internationale des Jeunes Artistes de Turin l'a sélectionné pour représenter la France. En 2002, il est le plus jeune compositeur français programmé au festival Présences. Compositeur en résidence de l'Orchestre National du Capitole de Toulouse de 2006 à 2009, il compose notamment un concerto pour violon créé par Renaud Capuçon. Pianiste, il accompagne régulièrement des films muets, des lectures de textes et improvise sur des thèmes proposés par le public. Compositeur, il est l'auteur d’une vingtaine de musiques de films, et de trois musiques de scène. Il a obtenu en 2016 le Grand Prix lycéen des compositeurs et en 2017 le Grand Prix de la musique symphonique de la SACEM pour l’ensemble de sa carrière. En 2013 et 2018, il a remporté les Victoires de la Musique classique.

En 2015, il a publié (avec Cédric Villani, Flammarion) Les Coulisses de la création et, en 2016, György Ligeti (Fayard). En 2017 : Parler, Composer, Jouer. Sept leçons sur la musique (Seuil). En 2018 : Diabolus in opéra. Composer avec la voix (Alma) et Anagrammes à quatre mains. Une histoire vagabonde des musiciens et de leurs œuvres (avec Jacques Perry-Salkow, Actes Sud). En 2019 : Ravel. Un imaginaire musical (avec Aleksi Cavaillez et Guillaume Métayer, Seuil-Delcourt). En 2021 : Saint-Saëns au fil de la plume (Premières Loges). En 2022 : L’Autre XX^e Siècle musical (Buchet-Chastel) et, avec Guillaume Métayer, Le Mystérieux Boléro. Sol et Rémi avec Ravel et Le Bal au clair de lune. Sol et Rémi avec Beethoven. En 2023 : Camille Benoit compositeur (La Rumeur libre) et, avec Guillaume Métayer, Le Mystérieux Boléro. Sol et Rémi avec Satie (Seghers). En 2024 : Bernard Herrmann (Actes Sud). Derniers CDs monographiques parus : Into the Dark (Aparte), Blow up, En blanc et noir, De l’autre côté du miroir (Indesens), Douze Etudes (AdVitam), Talisman (Klarthe), Media Vita et Galerie des glaces (Klarthe).