Cao Thái Sơn sinh ra và lớn lên tại Hà Nội. Trước đây, Cao Thái Sơn theo học ở trường Cao Đẳng văn hóa nghệ thuật và Trường quản lý kinh doanh Hà Nội. Với niềm đam mê ca hát, Cao Thái Sơn đã bắt đầu đi hát tại các phòng trà Hà Nội từ năm 17 tuổi nhưng không tạo được sự chú ý của khán giã yêu nhạc, mãi cho đến khi anh tham gia vào cuộc thi Sao Mai-Điểm Hẹn(SMĐH).

Bằng phong cách khá ấn tượng, Cao Thái Sơn đã nhanh chóng chiếm được tình cảm của khán giả, trở thành một ca sĩ trẻ triển vọng trong làng âm nhạc với vị trí thứ hai ở vòng loại lần 1. Nhưng thời điểm này, Cao Thái Sơn quyết định rút lui không đi theo mô hình đào tạo của truyền hình mà chạy theo mô hình chung: ca sĩ độc quyền và công ty. Và Sơn đã chính thức trở thành thành viên của H.T Production dưói sự quản lý của ông bầu Hoàng Tuấn với hợp đồng ban đầu là 5 năm.

Đầu năm 2006, Cao Thái Sơn bất ngờ kết thúc hợp đồng với với HT. Production và quay về Hà Nội để có kế hoạch phát triển khác.

Từ sau khi tách khỏi HT Production, Cao Thái Sơn lần lượt trình làng với công chúng các album: Không Thể Quên, Phút Cuối, Cool Boy, đặc biệt là album gần đây nhất: Con Đường Mưa với nhiều bài Hit được giới trẻ yêu thích.

Cuối năm 2009 Cao Thái Sơn lần đầu tiên nhận giải 1 trong 10 ca sĩ được yêu thích nhất của bảng xếp hạng Làn Sóng Xanh 2009 với những ca khúc như Con đường mưa, Pha lê tím...

Năm 2012 , album thứ 10 của Cao Thái Sơn với tên gọi Điều Ngọt Ngào Nhất, gồm 9 bài hát Pop Ballad tình cảm, pha trộn các màu sắc âm nhạc kiểu Pop Việt Nam thịnh hành, với một chút Kpop và cả Canto-Pop, đây là những phong cách được người nghe nhạc đại chúng Việt Nam yêu mến. Trước khi ra mắt album này, single Anh Sai Rồi của Cao Thái Sơn đã nhận được rất nhiều phản hồi tích cực khi nhanh chóng trở thành hit trên Zing Mp3 với hàng triệu lượt nghe.
Năm 2013, với sự kết hợp giọng ca Hương Tràm . Single Sẽ có người cần anh của nhạc sĩ Nguyễn Hồng Thuận được phát hành, do chính Cao Thái Sơn đóng vai trò làm nhà sản xuất .

Trong năm 2016, Cao Thái Sơn phát hành single “Mình Sẽ Hạnh Phúc Giống Người Ta” là ca khúc đinh mới nhất của cặp tác giả Đức Phan - Hoàng Nhân dành riêng cho anh. Một ca khúc thiên về cảm xúc với những ca từ chân thật từ nỗi lòng của những người phải yêu xa, thương xa. Single mới nhất của Cao Thái Sơn là một sáng tác của Mr.Siro mang tên 'Một Nửa Của Đời Mình'