1991년에 김장훈 1집 <햇빛 비추는 날>을 작곡 및 작사했다. 서울대학교 작곡과를 다니던 도중(14년만에 수료했다.) 1992년 제4회 유재하 음악경연대회에서 〈달빛의 노래〉로 대상을 받았다. 그 후에 윤정오와 함께 토이를 결성했지만, 1집을 발표하고 윤정오는 토이에서 탈퇴한다. 토이는 유희열과 객원보컬 체제로 운영된다.
토이라 는 이름으로 여섯 장의 정규앨범을 발표했으며, 자서전 성격을 띤 삽화집 〈익숙한 그집앞〉과 연주곡집도 발표했다. 재즈 퓨전,보사노바, 클래식, 신스팝 등 여러가지 장르를 넘나들며 앨범마다 변모하는 모습을 보여주었다. 일렉트로닉 라운지 음악의 대중화에도 기여, 2002년 발매한 앨범 《Walk Around the Corner》를 통해 당시 입지를 다져가고 있던 한국의 인디 일렉트로니카 뮤지션들과 공동작업을 하였다. 이병우의 《마리이야기 OST》에는 보컬리스트로 참여를 했다.
김장훈의 〈난 남자다〉, 박정현의 〈아무말도, 아무것도〉, 이승환의 〈애원〉, 이문세의 〈조조할인〉, 김형중의 〈그랬나봐〉, 윤종신의 〈환생〉, 이소은의 〈키친〉, 이소라의 〈Happy Christmas〉, 박경림의 〈욕 먹을 사랑〉 등 작곡가로서 다양한 가수의 앨범에 참여하기도 했다.
MBC FM4U에서 《유희열의 음악도시》 DJ를 했으며, 2002년 10월 2일부터 2004년 4월 25일까지 밤 12시에 MBC FM4U의 《올댓뮤직》 DJ를 했다. 그리고 2008년 4월 21일부터 매일 자정에 KBS COOL FM에서 《라디오 천국》 DJ를 하고 있다.
2009년 4월 24일부터는 KBS 《유희열의 스케치북》의 MC를 맡아 TV 음악 프로그램 진행자로도 활동하고 있다.
2005년 6월 10일 두 살 연하의 동시통역사 이상은씨와 결혼식을 올렸고, 슬하에 딸 리아가 있다. .... ....