Après une formation aux conservatoires de Bordeaux (1942) et de Paris (1948, Tony Aubin, Noël Gallon, Olivier Messiaen), et à Berlin (1954, Hochschüle für Musik, Blacher, Rufer), il devient assistant au Groupe de recherches musicales de la RTF de Pierre Schaeffer (1962-1963 : Etude au ressort et Points-Mouvement).
Il est professeur à l’Ecole normale de Musique, au conservatoire de Reims (1965-1971), au Conservatoire national supérieur de musique de Paris, (1971-1990 ; analyse – il succède à Olivier Messiaen, et composition) et Sevran.
Il enseigne aussi à l’Université de Mc Gill, Montréal, Canada (1978-1979), et au conservatoire de Shangaï (1985). Il participe également en 1968 à la fondation du département musique de l’université de Vincennes (Paris-VIII) avec Daniel Charles.
Dans son traité, Introduction à la métatonalité, (1956), Claude Ballif, dépassant l’opposition entre modalité, tonalité et atonalité, préconise l’emploi d’une gamme métatonale de onze sons. Il fait aussi largement appel aux micro-intervalles avec l’utilisation des quarts de tons, qu’il approfondit avec Ivan Wychnegradsky.