Dahlhaus promovierte in Göttingen 1953 mit seinen "Studien zu den Messen von Josquin des Prés" und habilitierte sich in Kiel 1966 mit den "Untersuchungen über die Entstehung der harmonischen Tonalität". Nach der Habilitation ging er als Wissenschaftlicher Rat an die Universität in Saarbrücken und schrieb da seine "Musikästhetik" (1967). Ebenfalls 1967 wurde er als Professor an die Technische Universität in Berlin berufen. Er übte diese Tätigkeit bis zu seinem Tod aus. Während dieser Zeit war er mehrmals als Gastprofessor in die USA eingeladen und erhielt die Ehrendoktorwürde der University of Chicago. 

Dahlhaus' Tätigkeit war umfassend: er veröffentlichte Bücher und Aufsätze über fast alle Gebiete der Musikwissenschaft. Zu seinen Hauptwerken zählen die "Grundlagen der Musikgeschichte" (1977), "Die Musik des 19. Jahrhunderts" (1980), "Beethoven und seine Zeit" (1987) und eine Anzahl von Arbeiten über Schönberg und die Neue Musik. Dahlhaus war auch Herausgeber des "Neuen Handbuchs der Musikwissenschaft", des "Riemann-" und des "Brockhaus-Riemann-Musiklexikons" sowie von Pipers "Enzyklopädie des Musiktheaters". Außerdem war er Herausgeber der "Wagner-Gesamtausgabe" und Mitherausgeber der "Schönberg-Gesamtausgabe". In den siebziger Jahren war er auch Herausgeber der "Neuen Zeitschrift für Musik" und der "Zeitschrift für Neue Musik Melos".

Durch den hohen wissenschaftlichen und literarischen Rang seiner Forschungen und Veröffentlichungen galt Dahlhaus als der führende Musikwissenschaftler der zweiten Jahrhunderthälfte im deutschen Sprachraum.