初任闲职
曹学佺于万历二年（1574）出生在福州侯官县洪塘乡的一个小商贩家庭。父曹极渠，卖饼为生，母亲早逝，家庭贫寒。
曹学佺自幼好学，曾在长乐上学，十八岁入府学，万历十九年（1591）中举人，万历二十年（1592）会试落第后，回乡与龚用卿之女结婚。当时龚用卿已辞官在家，借助龚用卿的关系，曹学佺得以结识乡绅名流。万历二十二年（1594）冬，再赴北京备考次年的春闱考试，并有机会和诸多名士交流。
在万历二十三年（1595）乙未科会试中，曹学佺以二甲五十名考取进士。会试时，策问“车战”，答曰：“臣南人也，不谙车战，请以舟战论。”因而详陈舟战之法。考官张位奇其才，初定第一，因不能破例，改为第十名，授户部主事。后张位被罢官，其门生故吏不敢前往看望，独有曹学佺带许多干粮赶往码头为之送行。事为执政所闻，遂摘取曹学佺会试卷中言论，斥为“险怪不经”，被调任南京大理寺左寺正的闲职，之后又任南京户部郎中。在任闲职七年间，曹学佺精心研究学问。
被劾去职
万历三十七年（1609），曹学佺任四川右参政。当时，四川发生灾荒，曹学佺设厂煮粥，赈济饥民，又将饥荒情况绘图上报，获准发放300万两赈济款，“蜀人诧为三百年未有之殊恩”。四川有行、坐二税，行税取自商贾，坐税取自百姓。饥荒后百姓多逃亡，坐税无所出，曹学佺以历年行税盈余抵作本年坐税，使百姓免受追比之苦，而贪官污吏却因少去搜刮机会而生怨。蜀王府毁于火灾，蜀王要地方官筹资70万两修复，曹学佺援宗藩条例予以拒绝。四川道路险绝，曹学佺集资修复不少道路、桥梁，受到行旅的好评。
万历三十九年(1611)，曹学佺升任四川按察使。万历四十一年（1613）考绩，因得罪蜀王为其所谤，被罢职，蜀人遮道相送。是年，曹学佺回籍，在故乡洪塘建石仓园，藏书万卷。时常邀请文友，赋诗会文，谈今论古，并创剧社“儒林班”，闽中文风因之昌盛。
天启二年（1622），曹学佺被起用为广西右参议。桂林宗室素来骄横，常有不法行为，曹学佺执法不阿，遇宗室犯法者，即命主管官吏究治；又亲自反复开导，使宗室肃然奉法。有人倚仗宗室势力，私铸钱币，曹学佺严逮问罪，不稍宽纵，私铸之风遂敛；钱局舞弊营私，两年中赢利仅千余金，经曹学佺订立制度，严加管束，一年获利5000金。广西少数民族众多，官吏、差役敲诈勒索，驻军责供给酒食，骚扰不已，经常激起民变。曹学佺对官吏、差役严加约束，改置营镇于他处，严禁驻军骚扰，局势很快恢复安定。
天启六年（1626）秋，曹学佺迁陕西副布政使，尚未赴任，突生变故。事因其在所著《野史纪略》中直书“梃击案“本末，魏忠贤党羽刘廷之挟嫌劾之，谓“私撰国史，淆乱是非”。曹学佺被囚禁70天后削职为民，《野史纪略》书版被毁。
崇祯（1628～1644）初年，曹学佺又被起用为广西副使，但力辞不就。当时，福建沿海海盗猖獗，曹学佺建议当局在闽江口梅花、双龟一带屯兵并建碉堡、编居民，共同防守；又条陈机宜九事。当局采纳其建议，海寇从此远遁。曹学佺热心故乡公益事业，曾筹资疏浚城内外河道与西湖，并建造洪山、万安、桐口3座桥梁。乡人感其德，在洪山桥头立祠塑像以祀。
国破身殉
崇祯十七年（1644），李自成起义军攻入北京，崇祯帝自缢。曹学佺闻讯，投池自杀，为家人所救。次年，唐王朱聿键在福州即帝位，改元隆武。曹学佺进见，被授为太常寺卿，不久迁礼部侍郎兼侍讲学士。以纂修《崇祯实录》，进礼部尚书，加太子太保。当时诸事草创，朝中大事由曹学佺和大学士黄道周参决。
隆武二年（1646），力赞隆武帝亲征收复失地，因年迈不能从行，便捐银万两助饷。同年八月，隆武帝亲征失败。清军于当年进入福建，郑芝龙降清，隆武帝在逃亡汀州的途中被俘，绝食而死。九月十七日，清军攻陷福州，次日，曹学佺香汤沐浴，整顿衣冠，在西峰里家中自缢殉国，死前留下绝命联：“生前单管笔，死后一条绳。”另有说法称他是在鼓山涌泉寺自缢的。曹学佺死后，其家被清兵所抄，家人也遭逮捕，藏书被清军抢光。鲁王监国追谥他为“文忠”。清乾隆十一年（1746），即曹学佺逝世一百年之后，清政府追谥他为“忠节”。
曹学佺毕生好学，对文学、诗词、地理、天文、禅理、音律、诸子百家等都有研究，尤其工于诗词，写景抒情诗是他的特长。他的私人藏书量达到上万卷，储于“汗竹斋”有《汗竹斋藏书目》。徐火勃记道：“予友邓原若、谢肇淛、曹学佺皆有书嗜，曹氏藏书则丹铅满卷，枕籍沈酣。”在文学方面，他与徐火勃、谢肇浙等人在诗文上颇有建树，并带动了自明朝中期以来沉寂的闽中文坛，被认为是明末福建文苑的复兴者。他与李贽、焦竑等学者都有交往，这两人对他的思想影响很大。同时他也接受了许多佛教思想。他将佛教的出世解脱和儒家的入世精神统一起来，因而其思想开阔，虽然在官场多年，但功名之心并不太深，内心追求幽静。曹学佺因先后两次罢职，家居“石仓园”中，著书20年，曾谓：佛家有佛藏，道家有道藏，儒家岂可独无。决心修儒藏与之鼎立。于是，采撷四库书，分类编纂，历时10余年，未完稿而明亡。
其一生著书多达30多种，辑有《石仓十二代诗选》。《周易可说》七卷，《书传会衷》十卷，《诗经质疑》六卷，《春秋阐义》十二卷，《春秋义略》三卷，《蜀中人物记》六卷，《一统名胜志》一百九十八卷，《蜀汉地理补》二卷，《蜀郡县古今通释》四卷，《蜀中风土记》四卷，《方物记》十二卷，《蜀画记》四卷，《蜀中神仙记》十卷，《蜀中高僧记》十卷，《石仓诗文集》一百卷，《石仓十二代诗选》八百八十八卷，《蜀中诗话》四卷，另外还有《宋诗选》四十九卷，所有作品共计1329卷。他的著作如《石仓诗文集》因为在清初被列为禁书而失传。仍流传在世的有名的作品包括了《一统名胜志》一百九十八卷与《石仓十二代诗选》，另外福建师范大学藏有《曹大理诗文集》十二册（不全），日本东京藏有《曹能始先生石仓全集》一百卷。
晚明的福建，一度也是书家画人的摇篮，曹学佺以其才华名列“闽中十才子”之首。据称，在林则徐的福州府第“七十二峰楼”的大堂中，悬挂的就是曹学佺的《贞松图》。步作洗泉诗轴，行笔如行云流水、抑扬顿挫，得晋唐风尚，无娇揉做作之态，显露出温婉敦和、落落坦然的君子气象。