Jelentős zeneszerző, életéről mégis keveset tudunk, igazán megbízható korabeli bizonyíték kevés van. Ötgyermekes földbirtokos családba született Fusignanóban, Ravenna közelében. Apja, Arcangelo Corelli a fiú születése után öt héttel elhunyt, anyja Santa Ruffini vagy Raffini volt. Gyermekkorában kezdett el zenét tanulni, valószínűleg egy faenzai paptól. Tizenhárom évesen Bolognába utazott, ahol Giovanni Benvenuti tanította hegedűre. Négyévi tanulás után felvették a város Accademia Filarmonica zenekarába. Növekvő hírneve révén több városban is megfordult, így lett fokozatosan Itália vezető hegedűse.

1670-ben elhagyta Bolognát, Rómába ment, ahol zeneszerzést tanult Simonellitől, később a Teatro Capranica zenekarában játszott. Krisztina svéd királynő, akinek a városban háza volt, a szolgálatába fogadta. Corelli már komponált, és Krisztinának ajánlotta op. 1-es triószonátáját, amit két hegedűre, gordonkára és csembalóra írt.

1679 és 1680 között Münchenben, Heidelbergben és Hannoverben tartózkodott.

Visszatérve Rómába a San Luigi-templom zenekarát vezette, majd a Santa Cecilia virtuózainak tagja lett. Ettől kezdve Benedetto Pamphili kardinális lett fő támogatója, aki zenemesterként alkalmazta, így Corelli be is költözött a palotájába. A kardinálisnak ajánlotta op. 2-es kamarazenei műveit. 1690 körül Modenában járt, majd visszatérve Pietro Ottoboni bíboros szolgálatába állt. Pietro Ottoboni másodunokaöccse volt annak az ugyanilyen nevű bíborosnak, aki 1689-ben VIII. Sándor néven lett pápa. Corelli koncerteket és operákat vezényelt, komponált, új kamaratrió-sorozatát a bíborosnak ajánlotta. 1700-ban a római Santa Cecilia-akadémia zenekarának élére kerül, majd az Árkádiai Akadémia, a zenenépszerűsítő szervezet tagjává választották.

1707-ben találkozott Händellel, és vezényelte is műveit. 1708-ban Nápolyban szerepelt saját művei szólistájaként. A zenekart Alessandro Scarlatti vezényelte. A zene és az előadás is kiváló volt, de a nápolyi alkirály elhagyta a termet, mert a lassú tételeket unalmasnak találta.

Corelli élete utolsó éveiben visszavonult a nyilvánosságtól, búskomorságba esett. 1712-ben saját házába költözött a bíborosi palotából, majd egy év múlva meghalt. Nagy tiszteletnek örvendett, ezért a római Pantheonban temették el, Raffaello mellé. Ottoboni bíboros díszes síremléket állíttatott neki.

Corelli hegedűs volt - a hangszer pedagógiáját igen magas fokra fejlesztette -, ezért zeneszerzői munkásságának a középpontjában is a hegedű áll. Ezen a téren munkássága korszakos jelentőségű. Munkáit Händel és Bach is ismerte. Georg Muffat szerint Corelli volt a concerto grosso műfajának a megteremtője. A zenedarabokban többnyire két hegedűt és egy csembalót állított szembe a zenekar többi részével. Ezen a téren Torelli mintaképe, Händel pedig maga is írt concerto grossókat Corelli stílusában. A kamarazene terén a sonata da chiesa és a sonata da camera műfajait művelte, főleg triószonáták formájában. Több híressé vált tanítványa is volt, például Francesco Geminiani, Pietro Locatelli és Somis.