甲斐守護・武田信縄の子。通称は五郎。初名は信直。従五位上・左京大夫・陸奥守。甲斐守護。
永正４年（１５０７）２月、父・信縄の死没を受けて１４歳で武田氏家督と甲斐守護職を継いだ。
当時の武田氏は、信虎が出生する以前の明応元年（１４９２）に信縄とその弟・油川信恵が家督をめぐる武力闘争に及んで以来の一族間による内訌が沈静化して間もない頃であったが、信虎の家督継承を不満とする信恵が敵対する行動に出たため、内訌が再燃した。
信虎は永正５年（１５０８）１０月、坊ヶ峯での合戦で信恵や岩手縄美など敵対する親族を討滅し、永正７年（１５１０）の春には反抗を続けていた都留郡（郡内）の小山田（越中守）信有を従属させて武田氏の家督相続を確固たるものとした。しかし、この内訌の際に駿河国の今川氏や伊豆国の北条氏ら国外勢力の介入を招くことになり、以後はしばしば侵攻を受けて苦しめられることになる。
永正１４年（１５１７）３月には今川氏親と和議を結び、今川氏を後ろ楯としていた大井信達を従属させてその娘を正室に迎える。
永正１６年（１５１９）８月、大名権力強化の一環として居館を石和の川田館から新府中（甲府）に移すために躑躅ヶ崎館を造営し、その城下町に従属する国人領主らを集住させる政策をうちだした。しかし、これに反発する栗原信友・今井（浦・逸見）信是・大井信達らが兵を挙げるなどしたため、政情は安定しなかった。
永正１８年（＝大永元年：１５２１）４月、従五位上・左京大夫に叙位・任官。このときに名を信直から信虎へと改めている。また、この頃より隣国への侵攻を目論み、同年９月から１０月にかけて甲斐国に侵攻してきた今川家臣・福島正成を撃破（飯田河原の合戦）したのち、逆に駿河・相模国に出兵しており、今川氏親や北条氏綱と抗争している。
また、肥沃な信濃国にも目を向けており、大永７年（１５２７）に信濃国佐久郡に侵攻、翌享禄元年（１５２８）には諏訪郡において諏訪頼満と戦ったが敗北を喫する（神戸・境川の合戦）など信濃国経略は難航したが、天文元年（１５３２）に最後まで抵抗を続けていた今井（浦）信元を降したことで、祖父・信昌の代より４０年ぶりに甲斐国の統一を果たした。
天文５年（１５３６）の今川氏の内訌（花倉の乱）においては今川義元を支持して駿河国に出兵している。この内訌に介入して義元を支持した理由としては、義元と家督を争った玄広恵探が福島正成の縁戚であること、義元が家督を相続すれば今川氏との関係改善が見込めるため、とみられている。
その後は今川氏との関係も改善されて信濃国侵攻に意を注ぐが、専横の振る舞いや度重なる過重な軍役の為に民心を失い、天文１０年（１５４１）６月に嫡男の晴信（武田信玄）によって駿河国に追放され、今川義元の庇護を受けて隠棲した（武田信虎追放事件）。
通説では、永禄３年（１５６０）に義元が敗死したのちに信玄による駿河国侵攻策を企て、永禄６年（１５６３）に孫にあたる今川氏真に疎まれて追放されたのちは上洛して将軍・足利義輝の相伴衆となったとされているが、天文１２年（１５４３）６月には京都に滞在していること（『証如上人日記』）、弘治４年（＝永禄元年：１５５８）１月には既に京都に屋敷を構えていたことを窺わせる記録（『言継卿記』）もあり、駿河国での滞在期間は不詳である。
信玄死後の天正２年（１５７４）、孫の武田勝頼から武田領への入国を許されたが、その後間もない３月５日に信濃国高遠城で没した。享年８１。法名は大泉寺殿泰雲存公庵主。