En 1914 comezou os seus estudios de bacharelato e piano, examinándose no Conservatorio de Madrid. En 1925 ingresa na Residencia de Estudiantes de Madrid onde coñece a escritores como García Lorca e Alberti. En 1927 foi nomeado membro do Seminario de Estudios Gallegos e comeza a súa tarefa de investigación da música popular tradicional.En 1933 casa con Rosita García Ascot. En 1935 trasladouse a Inglaterra para desempeña-lo lectorado de español na Universidade de Cambridge. Posteriormente viaxou a México onde foi nomeado xefe da Sección de Investigacións Musicais do Instituto Nacional de Belas Artes Mexicano. En 1965 regresa definitivamente a España.
Xesús Bal e Gay é o autor das seguintes composicións: Seis piezas para piano e canto sobre poemas de Amado Carballo (1931). Cuatro piezas para canto e piano sobre poemas de Emilio Prados, Juan Ramón Jiménez e Rafael Alberti (1947), Serenata (1942), Tres piezas para orquesta sinfónica (1945), Sonata para clarinete e piano (1947), Concerto Grosso (1965), Hojas de Álbum para piano (1965) e varias obras de música de cámara e coral inéditas. Despois de regresar a España preparou a edición do seu Cancionero Gallego (1973) en dous tomos, que recolle unhas 1300 melodías. Publicou Hacia el Ballet Gallego (1924), Chopin (1959), Tiempos (1960) y Debussy (1962). Tamén realizou transcricións de música antiga: Treinta canciones de Lope de Vega (1935), Romances y villancicos españoles del s.XVI (1939), El cancionero de Upsala (1944) y Tesoro de la música polifónica en Méjico (1952).