Castelnuovo-Tedesco studierte ab 1909 am Konservatorium von Florenz bei Ildebrando Pizzetti (Komposition) und Edgardo del Valle De Paz (Piano). Schon bald ein ausgereifter Musiker, gehörte er schon während seiner Studienzeit zu einem der gefragtesten Exponenten der damaligen musica nuova Italiens. 1918 erhielt er das Diploma di Composizione des Liceo Musicale di Bologna.
Auf dem Internationalen Festival in Venedig 1932 traf er den spanischen Gitarristen Andrés Segovia, der seit seinem Debut in Paris 1924 berühmt war. Zwischen den beiden entwickelte sich eine herzliche Freundschaft, die ausschlaggebend für die vielen folgenden Kompositionen für Gitarre von Castelnuovo-Tedesco war.
Wegen der faschistischen Rassengesetzgebung übersiedelte er 1939 in die USA und fand Arbeit bei den MGM Filmstudios, wo er mehr als zweihundert Filmmusiken schrieb. Seit 1946 unterrichtete er Komposition am Konservatorium von Los Angeles.
Neben sechs Opern und drei Balletten komponierte er zehn Schauspielouvertüren, zwei sinfonische Dichtungen, drei Violin-, drei Gitarren- und zwei Klavierkonzerte, ein Cello-, ein Oboen- und ein Harfenkonzert, ein Poem und sinfonische Variationen für Violine und Orchester, eine Serenade für Gitarre und Kammerorchester, kammermusikalische Werke, Klavierstücke, sechs Oratorien, mehrere Kantaten, Chorwerke und Lieder. Seine Werke für Gitarre solo gehören zum Standardrepertoire dieses Instruments.