نشأ على حب العلم، وبدأ حياته العلمية في البصرة على أيدي مجموعة من العلماء هناك، ولم يترك الخليل شيخًا يجلس إليه في البصرة إلا وتعلم منه، وكثيرًا ما كان يقول: لا يعلم الإنسان خطأ مُعلِّمه حتى يجالس غيره، أحبَّ الخليل علماء اللغة العربية والنحو، وأمضى ثلاث سنوات يجلس إليهم فيسمع منهم ولا يشترك في الجدل والمناظرة. عاصر شيخ اللغة العربية أبا عمرو بن العلاء وحضر مجلسه، كما أنه عاصر الإمام أبي حنيفة، وكان أستاذًا لسيبويه المؤسس الحقيقي لعلم النحو، والذي كثر تردده على مجالس الخليل حتى قال له عبارته الخالدة "مرحبًا بزائر لا يُمَل"، لم يغادر البصرة إلا لحج بيت الله الحرام، والطواف بوادي نجد والحجاز وتهامة يسمع من أعرابها، وإلى لخراسان حيث يقيم تلميذه وصديقه الليث بن المظفر. اشتهر الخليل بن أحمد بزهده فكان قليل الكلام عن نفسه، وكان من زهده في الدنيا أيضًا أن ابتعد عن تملق رجال الحكم، وكان كثيرًا ما يرفض عروضًا مغرية، وقد عكف على العلم عكوف المتصوفين، وقضى حياته في طلبه، وحرص على الاطلاع على الثقافات الجديدة، فنظر في علم الكلام وكان من المتكلمين، وكانت مدارس علم الكلام قد ترعرعت في البصرة، كما كان له نظرٌ في الموسيقى وكانت له معرفة بها، ويروي ابن النديم أن له كتابًا في النغم وكتابًا في الإيقاع، ويروي أيضًا جول روانيت في دائرة المعارف الموسيقية أن الخليل كان له كتابٌ في الموسيقى، وكان لمعرفته بالموسيقى أثرها في ضبط أوزان الشعر وتقسيمها إلى ضروب، وتقسيم كل ضرب إلى تفعيلات، وبذلك استنبط ما أسماه علم العروض الذي استخرج منه خمسة عشر بحرًا، ثم زاد فيه الأخفش بحرًا آخر وسماه الخبب، وتوصل أيضًا إلى حصر أوزان الكلمات وتصنيفها. ويعد معجم العين أبرز مؤلفات الخليل بن أحمد، وقد تناول عدد من العرب القدامى والمحدثين وبعض المستشرقين معجم العين بالدراسة، فنجد جلال الدين السيوطي (1445 – 1505م) قد اعتنى بشرحه، ونشر المستشرق الألماني براوننج (1892 – 1942م) عام 1926م مقالًا مستفيضًا في المجلد الثاني من مجلة (إسلاميكا) عن كتاب العين؛ تناول فيه حياة الخليل بن أحمد وثقافته وقضية النحو والعروض والموسيقى، مبديا تقديره لما اشتملت عليه مقدمة القاموس من آراء لغوية ونحوية، وكذلك تناول المستشرق الإنجليزي كونكوف (1872 – 1953م) المعاجم العربية بالبحث وخاصة معجم العين، وقد نشر أبحاثه في المجلة الشرقية النمساوية عام 1932م. إلا أن أكثر العلماء العارفين باللغة يقولون: إن كتاب العين في اللغة المنسوب إلى الخليل بن أحمد ليس تصنيفه، وإنما كان قد شرع فيه ورتب أوائله وسماه بـ (العين) ثم مات فأكمله تلامذته النضر بن شميل، ومن في طبقته وهم: مؤرج السدوسي، ونصر بن علي الجهضمي، وغيرهما، وقد صنف ابن دُرُستويه في ذلك كتابًا استوفى الكلام فيه. أثنى عليه العلماء، منهم سفيان الثوري بقوله "من أحب أن ينظر إلى رجلٍ خُلق من الذهب والمسك فلينظر إلى الخليل بن أحمد"، وقال عنه تلميذه النضر بن شميل "ما رأيت رجلًا أعلم بالسنة بعد ابن عون من الخليل بن أحمد"، وقال القفطي "وله علم بالأنغام، وله كتاب فيه، ومعرفته بالنغم ومواقعها أحدثت له علم العروض"، وقال تلميذه علي بن نصر "كان الخليل بن أحمد من أزهد الناس وأعلاهم نفسًا وأشدهم تعففًا، ولقد كان الملوك يقصدونه ويتعرضون له لينال منهم، وكان يعيش من بستان له خلفه عليه أبوه". وحدَّث أبو الطيب اللغوي قائلًا: "لم يكن في علماء البصريين من قِيل عنه إنه منقطع القرين مثل الخليل بن أحمد، وقال: كان الخليل أعلم الناس وأذكاهم وأفضل الناس وأتقاهم"، وأخبر محمد بن سلام قائلًا: "سمعت مشايخنا يقولون: لم يكن للعرب بعد الصحابة أذكى من الخليل بن أحمد ولا أجمع"، وقال أبو البركات الأنباري "سيد أهل الأدب قاطبة في علمه وزهده، والغاية في تصحيح القياس، واستخراج مسائل النحو وتعليله". رأى الخليل جارية تخاصم البائع وهي تطالبه بدراهم أخذها منها بمغالطته إياها، فأراد أن يضع نوعًا من الحساب يكون سهلًا على العامة، فدخل المسجد وهو يمضي فكره في ذلك، فاصطدم رأسه بسارية ضخمة (عمود كبير) فشُجَّ رأسه ووقع على الأرض ملطخًا بالدماء، ويقال: بل كان يُقَطِّع بحرًا من العروض، حمل الناس الخليل إلى بيته وهو يسبح في دمائه، وأحاط به أهله ثم لم يبق طويلًا في تلك الحالة حتى مات.