1947年1月4日，秦大河出生于甘肃省兰州市，原籍山东省泰安市，他出生时，父母住在傍依着黄河的王家庄。

1953年秋天，6岁开始上小学，小学阶段一共换了三所学校，一、二年级在兰州小西湖附近的西竞寺小学就读，三、四、五年级转到了兰州军区总医院附小（现西湖小学），六年级时因为他父亲所在的西北畜牧兽医学院改为甘肃农业大学，举家迁往武威黄羊镇，他便转学到了甘肃农业大学附小，一直到毕业。

1959年秋天，考入兰州回民中学（现兰州西北中学），因为家在武威，他第一次远离家庭住校上学。

1962年夏天，初中毕业后准备升高中，由于父母不在兰州，所以没能报考兰州地区的中学，而是考入武威一中。

1965年8月，高中毕业后考入兰州大学地质地理系。

1970年7月，大学本科毕业后前往甘肃省农宣队和政县分队工作了3个月，同年10月被分配到甘肃省和政县第一中学教数学（至1978年4月），他是全校有名的严厉老师，最后几年他带高中三个班的数学，150本作业本都亲自批改，从不马虎。

1974年，放暑假回家路过兰州，来到了中国科学院兰州冰川冻土研究所拜访施雅风、谢自楚。

1978年5月，被调进了中国科学院兰州冰川冻土研究所工作，先后任助理研究员、副研究员、研究员、副所长、中国科学院兰州分院副院长。同年7月，通过了研究生二试，考取了兰州大学地理系硕士研究生，师从李吉均教授。

1980年10月，毕业获得硕士学位后返回冰川所工作。

1983年，首次到南极考察。1987年，第二次到南极考察。

1989年7月，参加国际徒步横穿南极大陆科学考察，行程5986公里，中经南极点和“不可接近地区”，1990年3月3日抵达这次考察终点——苏联和平站，成为中国第一个徒步横穿南极大陆的人，并采集了800多个雪样，特别是采集到南极洲“不可接近地区”内一套完整的珍贵冰雪样品，填补了冰川学研究的空白，成为世界上唯一全部拥有南极地表一米以下冰雪标本的科学家。

1991年1月，在兰州大学地理科学系，攻读博士学位。1992年12月，博士毕业。

1995年4月，担任中国科学院资源环境科学与技术局局长（至2000年11月）。

2000年11月，担任中国气象局局长、党组书记（至2007年3月）。

2002年，作为IPCC第四次评估报告第一工作组联合主席，他成功组织了IPCC科学评估活动，大力支持和推荐发展中国家科学家和年轻科学家参与IPCC评估报告的编写（-2008年）。

2003年，当选为中国科学院院士。

2004年，当选为第三世界科学院院士。同年中国科学院研究生院资源与环境学院（现中国科学院大学资源与环境学院）成立，秦大河兼任学院院长。

2004年8月，遵照温总理要确保人民生命财产安全的指示，根据云娜台风的特点及动向，中国气象局于2004年8月12日采取紧急行动，时任中国气象局局长秦大河决定利用中央电视台《新闻联播》之后的电视天气预报节目时段，亲自向广大民众播报云娜台风的登陆信息。这是中国气象局长首登屏幕播台风。

2007年，通过科技部基础研究司组织的国家重点实验室建设计划可行性论证会，冰冻圈科学国家重点实验室正式成立，秦大河担任中心主任。

2008年3月，任第十一届中国人民政治协商会议全国委员会人口资源环境委员会副主任。9月连任联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第一工作组联合主席。10月28日，在人民大会堂，秦大河从世界气象组织主席别德里茨基手里接过五十三届国际气象组织（IMO）奖，是继中国气象学家叶笃正之后，第二个获此殊荣的中国科学家。

2009年5月，北京大学气候变化研究中心成立，秦大河担任中心主任。

2011年，当选为美国气象学会荣誉会员。5月，担任中国科学技术协会副主席（至2016年6月）。

2012年7月，担任中国科学院学部主席团成员、学术与出版委主任。

2013年5月，担任中国科学院学术委员会主任。10月21日，获得环境与可持续发展领域沃尔沃环境奖。

2017年2月，国家自然科学基金委员会重大项目“中国冰冻圈服务功能形成机理与综合区划研究”启动，秦大河担任项目首席科学家。

2020年1月，出任华东师范大学世界地理与地缘战略研究中心主任。

2021年5月9日，担任西北大学榆林碳中和学院名誉院长。