Da bambino imparò a suonare il violino, rivelando un notevole talento musicale. In seguito diplomatosi in pianoforte e composizione al conservatorio di musica di S. Cecilia in Roma. Nel 1937 fu assunto nell'orchestra di Rocco Grasso, che l'anno dopo lo volle come pianista nel proprio complesso. Nel 1939 suonò con l'orchestra di Sesto Carlini, una delle più rinomate formazioni jazzistiche italiane dell'epoca. Dopo la guerra tornò ad alternare l'attività nel jazz con quella nella musica leggera e, contemporaneamente, perfezionò i suoi studi musicali diplomandosi al Conservatorio Santa Cecilia di Roma (1948). Nel 1949 fu scelto a rappresentare l'Italia al Festival du Jazz de Paris, dove suonò con Gorni Kramer al contrabbasso e Gilberto Cuppini alla batteria. L'anno successivo iniziò una lunga serie di incisioni discografiche (pubblicate col titolo Musica per i vostri sogni). Con lo stesso titolo, e in un secondo tempo con quello di Eclipse, realizzò, in collaborazione con Piero Morgan (Piero Piccioni), un ciclo di trasmissioni radiofoniche, uno tra i primi tentativi italiani di presentare esecuzioni pianistiche di jazz con orchestra d'archi. Nel frattempo Trovajoli aveva esordito, con lo pseudonimo Vatro, come autore di canzoni (È l'alba, Dimmi un po' Sinatra, ecc.). Nel 1952, invitato da Alberto Lattuada a scrivere musica per la colonna sonora di Anna, ebbe il suo primo best-seller mondiale con El Negro Zumbon. Lo stesso anno Trovajoli si esibì come concertista suonando musiche di Gershwin sotto la direzione di A. Rodzinsky al teatro San Carlo di Napoli e di Willy Ferrero alla Basilica di Massenzio in Roma. Nel 1953, oltre a scrivere il commento per il film Due notti con Cleopatra, partecipò come direttore d'orchestra al Festival della canzone di Sanremo (vi intervenne anche nel 1957), dove con la sua celeberrima "Eclipse Orchestra", affiancò Cinici Angelini, nella prima edizione in cui fu prevista la doppia esecuzione di canzoni. Ottenne un secondo successo internazionale nel campo della canzone con Che m'è mparato a ffà che fu lanciata e incisa in disco da Sophia Loren (1958). Nel 1962 Trovajoli che in precedenza aveva collaborato ad alcuni spettacoli di rivista, compose la musica per la Commedia musicale «Rugantino» di Garinei e Giovannini, scritta con Pasquale Festa Campanile e Massimo Franciosa, segnalandosi all'attenzione degli intenditori per lo studio condotto sui motivi popolari romani dell'Ottocento, sapientemente riecheggiati nelle sue composizioni. Ottenne altrettanti successi con Ciao Rudy e Aggiungi un posto a tavola sempre di Garinei e Giovannini. La più suggestiva ed orecchiabile canzone di Rugantino, Roma, nun fa' la stupida stasera, divenne poi il suo terzo best-seller mondiale. Da ricordare nel repertorio di colonne sonore la collaborazione con registi come Vittorio De Sica, Marco Vicario, Dino Risi, Luigi Magni e Ettore Scola del quale ha musicato praticamente l'intera filmografia. Nel 2007 ha ottenuto il Premio Speciale David di Donatello alla carriera.