La casa dels seus pares era un centre important de la vida musical vienesa. Fill de la cantant Helene Magnus, des de ben petit rebé una excel·lent formació musical. Abans de tenir vint anys ja destacava com a pianista i com a compositor. Estudià ciències naturals i filosofia a les universitats de Heidelberg i Viena, i en aquesta darrera es doctorà en química el 1900. Posteriorment assistí a la Universitat de Berlín per estudiar psicologia experimental i musicologia, i s’interessà especialment per la psicologia del so. Assistent de C. Stumpf a l’Institut Psicològic des del 1905, l’any següent passà a dirigir l’Arxiu Fonogràfic de Berlín, creat el mateix 1900 amb els arxius d’aquella institució, i es mantingué en el càrrec fins el 1933. El 1906 també participà en el segon congrés de la Societat Internacional de Música i el 1917 fou nomenat professor a la Universitat de Berlín. L’any 1933, a causa de la seva condició de jueu, hagué d’emigrar als EUA, on treballà com a professor adjunt a la New School for Social Research (Nova York). El 1934 es traslladà a viure a Londres per motius de salut i es quedà definitivament a Anglaterra. Fou un dels iniciadors, juntament amb Stumpf i Otto Abraham, de l’estudi de la música de cultures no europees aplicant-hi conceptes i mètodes de l’acústica, la psicologia i la fisiologia del so. Escriví nombrosos articles en publicacions especialitzades sobre aquests temes, en què proposava nous mètodes per a transcriure la música no europea recollida en les gravacions. Foren els inicis del que, gràcies al seu esforç, esdevingué posteriorment una disciplina reconeguda: la musicologia comparada.
L’aportació més important de Hornbostel a l’etnomusicologia fou el sistema de classificació dels instruments, elaborat juntament amb el musicòleg alemany Curt Sachs (1881-1959), i els seus estudis sobre la psicologia de la percepció musical, les implicacions transculturals dels sistemes sonors i les polifonies folklòriques. Tot i l’envergadura de la seva investigació, però, mai no publicà cap síntesi dels seus treballs. Els darrers anys de la seva vida els dedicà a recollir material per a una col·lecció d’enregistraments de música folklòrica d’arreu del món per al Laboratori Psicològic de Cambridge.