生于河北束鹿县（今辛集市），卒于北京。曾就读于北平师范大学预科和本科，1935年毕业于清华大学心理学系，获学士学位。1935～1940年在中华平民教育促进会工作。1941年任教于西南联合大学哲学心理学系。1948年获英国剑桥大学心理学博士学位，同年8月受聘于香港大学。1950年任职于中国科学院，历任计划局副局长、办公厅副主任。1951年中国科学院心理研究所成立，后改为心理研究室，历任所长和室主任。1956年扩建恢复为心理研究所后，任副所长。1955年当选中国心理学会副理事长，1956年任《心理学报》主编。1950～1956年任中华全国科学技术普及协会常务委员和组织部长。

曹日昌早年在中华平民教育促进会工作期间，曾研究过体育运动、珠算教育、平民教育中的心理学问题。1939年他倡导用辩证唯物主义与历史唯物主义指导心理学的研究工作，并积极付诸实践。1943年对心理测验的若干问题进行了剖析。1945年5～7月参加中美心理学家合作的伞兵突击队心理选拔测评工作。在英国留学期间对学习与记忆中的时间间隔开展过系统的实验研究。1954年，他又提出研究中国心理学历史遗产是中国科学心理学建立工作的重要组成部分。1958年他适时对有关的学术争论进行总结，澄清混乱思想，明确心理学的研究对象、方法和任务。1961年主编《普通心理学》教科书，这是中华人民共和国成立后，中国心理学工作者自己编著的第一本普通心理学教科书。1962～1965年指导对记忆进行系统性研究，并在研究中开创性地运用了信息加工理论。曹日昌为中华人民共和国成立初期的科学事业做了大量组织工作和对外学术交流工作，特别是争取海外科技人员回国，以及中科院心理研究所的成立和中国心理学会的重建工作。在制定中华人民共和国第一个科学发展规划时，是制定心理学发展规划的组织者。

主要著作有《新心理学方法的建立》（1939）、《分配与集中学习的研究：Ⅰ；Ⅱ；Ⅲ》（英文，1948a；1948b；1950）、《中国心理学历史遗产的研究方法问题》（1954）、《关于心理学研究的几个问题》（1959）、《由学术批判明确心理学的研究任务》（1959）、《中国劳动心理学概况》（合著，1959）、《关于心理学研究中的思想方法问题》（1965）等（含手稿）。编、译著有《普通心理学》（上册，1963；下册，1978）、《记忆》（H.艾宾浩斯著，1965）、《实验心理学》（R.S.伍德沃思、H.施洛斯贝格著，1965）等。