Đại Việt Sử ký Toàn thư, bộ quốc sử Đại Việt biên soạn năm 1479 (thời Hậu Lê), đã để lại 1 chi tiết về thời niên thiếu của Trần Quang Khải: "Quang Khải lúc mới sinh, phát chứng kinh suýt chết, Thái Tông lấy áo của Thượng hoàng và thanh gươm báu truyền quốc để bên cạnh rồi bảo ông: "Nếu sống lại, sẽ ban cho những thứ này". Đến khi sống lại, Thái Tông nói: "Gươm báu truyền quốc, không thể trao bừa, chỉ ban cho áo của Thượng hoàng thôi"".

Từ nhỏ, ông đã được Trần Thái Tông phong tước Chiêu Minh vương và cho thụ giáo với Hàn lâm viện học sĩ kiêm Quốc sử Viện giám tu, Bảng nhãn Lê Văn Hưu. Sử chép ông là người có học thức, hiểu tiếng nói của các bộ tộc ít người.

Năm Nguyên Phong thứ 8 (1258), ông được gả Phụng Dương công chúa, con gái của Thái sư Khâm Thiên đại vương Trần Nhật Hiệu, ban cho thái ấp Độc Lập, phủ Thiên Trường (nay thuộc xã Mỹ Thành, huyện Mỹ Lộc, tỉnh Nam Ðịnh). Cùng năm, vua Trần Thái Tông nhường ngôi cho thái tử Trần Hoảng, tức Trần Thánh Tông, rồi lên làm thái thượng hoàng. Tân quân Trần Thánh Tông phong cho Quang Khải tước Chiêu Minh Đại vương.

Năm Thiệu Long năm thứ 4 (1261), Trần Thánh Tông phong Trần Quang Khải làm Thái úy; ông chính thức tham gia công việc triều chính khi vừa 20 tuổi. Theo Đại Việt Sử ký Toàn thư, Thánh Tông có người anh là Tĩnh Quốc đại vương Quốc Khang lớn tuổi hơn, nhưng không có tài cán đặc biệt, nên nhà vua cho Quang Khải làm đại thần. Năm Thiệu Long năm thứ 8 (1265), nhà vua lại phong Quang Khải làm Thượng tướng, vào trấn thủ Nghệ An. Trại trạng nguyên Bạch Liêu là môn khách của ông.

Đầu năm Thiệu Long năm thứ 14 (1271), ông làm Tướng quốc thái úy, trở thành đại thần đầu triều nắm giữ việc nước, đứng trên cả Hưng Đạo vương Trần Quốc Tuấn. 

Hưng Đạo vương Trần Quốc Tuấn là con của Khâm Minh đại vương Trần Liễu, Chiêu Minh đại vương Trần Quang Khải là con của Thái Tông hoàng đế Trần Cảnh. Theo quan hệ huyết thống thì Thái Tông là em ruột của Khâm Minh đại vương, cho nên, Hưng Đạo vương và Chiêu Minh vương cùng với Tĩnh Quốc đại vương Trần Quốc Khang đều là anh em nửa dòng máu. Ngoài mâu thuẫn giữa dòng chính và dòng thứ, giữa hai ông còn có cả mối bất hòa cá nhân.

Cuối năm 1257, Hưng Đạo vương được cử làm chỉ huy các đạo quân thủy bộ ở biên giới, lập nhiều công lao cho triều đình. Tuy nhiên, sau khi đánh đuổi được quân Nguyên Mông, ông vẫn giữ nguyên tước cũ và trở về thái ấp ở Vạn Kiếp. Trong khi đó, không lâu sau Trần Quang Khải được phong tước Đại vương, và thăng làm Thái úy.

Đầu năm Bảo Phù thứ 5 (1277), Trần Thánh Tông thân chinh đánh các bộ tộc thiểu số ở động Nẫm Bà La (nay thuộc Quảng Bình). Sử chép: Trước kia, Thánh Tông thân đi đánh giặc, Quang Khải theo hầu, ghế Thừa tướng bỏ không, vừa lúc có sứ phương Bắc đến. Thượng hoàng Thái Tông gọi Hưng Đạo Vương Quốc Tuấn tới bảo: "Thượng tướng đi theo hầu vắng, trẫm định lấy khanh làm Tư đồ để tiếp sứ phương Bắc". Quốc Tuấn trả lời: "Việc tiếp sứ giả, thần không dám từ chối, còn như phong thần làm Tư đồ thì thần không dám vâng chiếu. Huống chi Quan gia đi đánh giặc xa, Quang Khải theo hầu mà bệ hạ lại tự ý phong chức, thì tình nghĩa trên dưới, e có chỗ chưa ổn, sẽ không làm vui lòng Quan gia và Quang Khải. Đợi khi xa giá trở về, sẽ xin vâng mệnh cũng chưa muộn". Đến khi Thánh Tông trở về, việc ấy lại bỏ đấy, vì hai người vốn không ưa nhau.

Năm 1278, vua Trần Thánh Tông truyền ngôi cho thái tử Trần Khâm, tức vua Trần Nhân Tông. Đầu năm 1281, sứ nhà Nguyên là Sài Thung đến Thăng Long đòi vua Trần sang chầu. Thung tỏ thái độ rất ngạo mạn: "Vua sai Quang Khải đến sứ quán khoản tiếp. Thung nằm khểnh không ra, Quang Khải vào hẳn trong phòng, hắn cũng không dậy tiếp. Hưng Đạo Vương Quốc Tuấn nghe thấy thế, tâu xin đến sứ quán xem Thung làm gì. Lúc ấy Quốc Tuấn đã gọt tóc, mặc áo vải. Đến sứ quán, ông đi thẳng vào trong phòng. Thung đứng dậy vái chào mời ngồi. Mọi người đều kinh ngạc, có biết đâu gọt tóc, mặc áo vải là hình dạng nhà sư phương Bắc. Ông ngồi xuống pha trà, cùng uống với hắn. Người hầu của Thung cầm cái tên đứng sau Quốc Tuấn, chọc vào đầu đến chảy máu, nhưng sắc mặt Quốc Tuấn vẫn không hề thay đổi. Khi trở về, Thung ra cửa tiễn ông". (Đại Việt Sử ký Toàn thư)

Nhờ cách ứng xử khéo léo của Hưng Đạo Vương, Sài Thung thay đổi thái độ. Khi Sài Thung về lại Bắc Kinh, Trần Quang Khải đã làm tặng một bài thơ, trong đó có câu:

Vị thẩm hà thời trùng đỗ diện

Ân cần ác thủ tự huyên lương.

Tạm dịch:

Chưa biết ngày nào cùng tái ngộ

Để ân cần tay nắm chuyện hàn huyên

Cuối năm Thiệu Bảo thứ 4 (1282), vua Trần Nhân Tông thăng chức Trần Quang Khải làm Thượng tướng Thái sư, nắm cả quyền quân sự lẫn hành chính. Tuy vậy, trước tình hình áp lực nhà Nguyên gia tăng, cuối năm Thiệu Bảo thứ 5 (1283), triều đình tiến phong Hưng Đạo Vương Trần Quốc Tuấn làm Quốc công tiết chế, thống lĩnh quân đội toàn quốc. Như vậy, về thực quyền quân sự, Hưng Đạo Vương trở thành cấp trên của Chiêu Minh Đại vương.

Chính sử không chép rõ Trần Quang Khải tham gia trong Chiến tranh Nguyên Mông-Đại Việt lần 3 như thế nào. Sau chiến thắng này, triều đình luận công ban thưởng, Trần Quốc Tuấn có công lớn nhất, được phong tước Đại vương. Trần Quang Khải cũng được xếp công thần hạng nhất.

Đất nước hòa bình, Quang Khải tiếp tục ở ngôi Thái sư, cùng Thái úy Tá Thiên Đại vương Trần Đức Việp (con trai thứ của Trần Thánh Tông) cai quản việc nước.

Ngày 3 tháng 7 âm lịch năm Hưng Long thứ hai (tức 26 tháng 7 năm 1294) đời Trần Anh Tông, ông qua đời. Vợ ông là Phụng Dương công chúa đã mất trước đó 3 năm. Ông bà được chôn cất tại thái ấp của mình, được thờ làm Thành hoàng làng Cao Đài.