Bekannt wurde er mit seiner Dissertation „Kritik und Krise“, die von Carl Schmitt maßgeblich beeinflusst war. Der Historiker gilt als einer der originellsten „Außenseiter“ des Fachs, da er keiner historischen „Schule“ zugerechnet werden kann.
Koselleck, der sich 1941 freiwillig zur Wehrmacht gemeldet hatte, war bis zum Oktober 1945 in Kriegsgefangenschaft in Karaganda im zentralasiatischen Kasachstan. Nach der Rückkehr nach Deutschland studierte er von 1947 bis 1953 Geschichte, Philosophie, Staatsrecht und Soziologie an der Universität Heidelberg und der University of Bristol in England. Zu seinen akademischen Lehrern zählten Persönlichkeiten wie Martin Heidegger, Carl Schmitt, Karl Löwith, Hans-Georg Gadamer, Werner Conze, Alfred Weber, Ernst Forsthoff und Viktor Freiherr von Weizsäcker, die eine enorme wissenschaftliche Vielfalt repräsentierten.
1954 wurde Reinhart Koselleck in Heidelberg mit der Studie „Kritik und Krise. Pathogenese der Bürgerlichen Welt“ bei Johannes Kühn promoviert. Diese Doktorarbeit verschaffte ihm ein glänzendes Entree in den Wissenschaftsbetrieb. Von 1954 bis 1956 war er zunächst Lecturer an der Universität in Bristol, England, bevor er für ein Jahr Assistent am Historischen Seminar der Universität Heidelberg wurde. Von 1960 bis 1965 war Koselleck Mitarbeiter im „Arbeitskreis für Moderne Sozialgeschichte“ in Heidelberg, dessen Vorsitzender er später wurde (1986). Von 1963 an nahm er an den Konferenzen der Forschergruppe „Poetik und Hermeneutik“ teil. 1965 habilitierte er sich mit einer Arbeit über „Preußen zwischen Reform und Revolution“.
1966 erhielt Koselleck einen Ruf an die Ruhr-Universität Bochum, wo er Professor für Politische Wissenschaft wurde. 1968 zog es den Ordinarius wieder an die Universität Heidelberg, wo er Neuere Geschichte unterrichtete. Seit 1965 war Koselleck Mitglied des Wissenschaftlichen Beirats der im Aufbau befindlichen Universität Bielefeld und 1968 ersetzte er Werner Conze im dortigen Gründungsausschuss. Gleichzeitig übernahm er den Vorsitz der Fachbereichskommission Geschichtswissenschaft, die er bis zur Gründung der Fakultät für Geschichtswissenschaft 1973 leitete. In diesem Jahr nahm er einen Ruf an die Universität Bielefeld auf den Lehrstuhl für Theorie der Geschichte an, den er bis zu seiner Emeritierung 1988 innehatte. Der interdisziplinären Ausrichtung seiner Forschungstätigkeit entsprach, dass er sich in den Leitungsgremien des Zentrums für interdisziplinäre Forschung der Universität Bielefeld engagierte, 1974/75 als Geschäftsführender Direktor. Gastprofessuren führten ihn unter anderem nach Tokio, Paris, Chicago (University of Chicago) und New York (New School for Social Research, 1986, 1988; Columbia University, 1992). Außerdem war er Mitglied zahlreicher wissenschaftlicher Akademien und Kollegien, etwa des Wissenschaftskollegs in Berlin (1987–1989) oder des Collegium Budapest (1993). 1996/97 arbeitete er am Warburg-Haus Hamburg und 1998 am Netherlands Institute for Advanced Study in the Humanities and Social Sciences.
Ab 1993 wirkte er als Beiratsmitglied konzeptionell am Aufbau der Stiftung Genshagen - Berlin-Brandenburgisches Institut für Deutsch-Französische Zusammenarbeit in Europa (BBI) im Schloss Genshagen mit und interessierte sich darüber hinaus auch für das regionale Umfeld des Instituts, da er sich sein Leben lang dem Osten Deutschlands verbunden gefühlt hatte. In seinen letzten Lebensmonaten setzte er sich für den Aufbau einer wissenschaftlichen Abteilung am BBI ein, die mit einem langfristigen Projekt zur Erforschung der „Europäischen Zugehörigkeiten in der Kontroverse“ die historische Dimension der gegenwärtigen Entwicklungsprobleme Europas ins Auge fassen sollte.
Koselleck war ordentliches Mitglied der Nordrhein-Westfälischen Akademie der Wissenschaften und der Künste.