Né à Strasbourg, il est le fils d’Ernest Munch, pasteur et aussi professeur d’orgue au Conservatoire de la ville. C’est sous sa direction que Charles Munch y étudie le violon, formation poursuivie avec Cari Flesch à Berlin, puis Lucien Capet au Conservatoire de Paris.

Pendant la première guerre mondiale, il est incorporé dans l’armée allemande, gazé à Peronne et blessé à Verdun.

En 1920, il devient professeur de violon au conservatoire de Strasbourg, alors dirigé par Guy Ropartz. De 1926 à 1933, il est chef d’orchestre associé au Leipzig Gewandhaus Orchestra, alors dirigé par Wilhem Furtwangler et Bruno Walter.

Marié à Geneviève Maury (petite-fille du fondateur de la compagnie Nestlé), il entame en 1933 sa carrière parisienne en conduisant l’Orchestre Lamoureux, le Nouvel Orchestre de Paris, la Société Philharmonique de Paris. Il se lie d’amitié avec différents compositeurs dont il dirigera les œuvres : Arthur Honegger, Albert Roussel, Francis Poulenc, Florent Schmidt.

De 1937 à 1945, il dirige l’Orchestre du Conservatoire de Paris, refusant de jouer les compositeurs allemands. Protégeant de nombreux musiciens, il reçoit en 1945 la Légion d’Honneur.

En 1946, il entame sa carrière aux États-Unis, en devenant, pendant 13 années, premier chef du Boston Symphony Orchestra, diffusant les œuvres de Debussy, Ravel, tout en dirigeant les œuvres de Berlioz dont il est un ardent défenseur.

En 1963, Charles Munch revient en France et dirige l’École Normale de Musique, et en 1967, à la demande d’André Malraux, il fait de l’Orchestre de Paris le premier ensemble où les musiciens sont à plein temps. C’est à la tête de cet orchestre, qu’il meurt d’une crise cardiaque lors d’une tournée aux États-Unis.