Butterworth ble født i Paddington i London, i en musikalsk familie, som under hans første leveår flyttet til Yorkshire. Sin første musikkundervisning fikk han fra moren, som var sangerinne. Han begynte å komponere i ung alder. Hans far Alexander Butterworth (senere General Manager for North Eastern Railway) ville imidlertid at han kom juridisk utdannelse med tanke på å bli advokat, og sendte ham først til Eton College i Eton og derfra til Trinity College i Oxford.
På Trinity College konsentrerte han seg mer og mer for musikk. Der traff han folkemusikksamleren Cecil Sharp og komponisten og folkemusikkentusiasten Ralph Vaughan Williams. Han ble også kjent med Hugh Allen og en barytonsanger og fremtidig kompomnist, Adrian Boult. Butterworth og Vaughan Williams foretok flere reiser rundt i det landlige England for å samle folkemusikk, som begge komponister ble stilistisk influert av.
Butterworth var særlig betatt av folkedansen og foretok også forskning innen feltet. Han ble en av tidens store autoriteter innen for eksempel morris dancing. Han ble faktisk ansatt for en tid av English Folk Dance and Song Society (som han hadde vært med på å grunnlegge i 1906) som profesjonell morrisdanser, som medlem av en fremvisningsgruppe.[6]
Vaughan Williams og Butterworth ble nære venner. På oppfordring fra Butterworth om- og innarbeidet Vaughan Williams sin symfoniske diktning i sin 2. symfoni (London Symphony). Da partituret til symfonien gikk tapt i Tyskland ved begynnelsen av Første verdenskrig, rekonstruerte Butterworth sammen med Geoffrey Toye og kritikeren Edward J. Dent det på grunnlag av orkesterstemmene. (Det var sendt til Tyskland rett før krigen enten til konduktøren Fritz Busch, eller for gravering.) Vaughan Williams dediserte verket til Butterworth posthumt.
Etter slutteksamen fra Oxford slo Butterworth inn på en løpebane som musiker, skrev musikkanmeldelser for The Times, komponerte og underviste ved Radley College i Oxfordshire. Han studerte også en kort tid ved Royal College of Music i London, der han ble undervist av blant annet Hubert Parry.
Etter utbruddet av Første verdenskrig meldte Butterworth seg til militærtjeneste. Han falt i 1916 i en alder av 31 år i Slaget ved Somme nær Pozières. Hans levninger ble aldri funnet; bare hans navn er påført Thiepval-minnesmerket, nær Somme. Dermed var et av den engelske musikks store lys og håp for det 20. århundre utslukket. Han ble posthumt tildelt Military Cross.
Love Blows As The Wind Blows, song cycle for voice and piano, voice and string quartet (both 1911-1912) or voice and small orchestra (1914) [words W. E. Henley]