Nacido en Spruce, Nevada, Estados Unidos, estudió en las universidades de Utah y Oxford, en el Reino Unido. Comenzó a trabajar en el laboratorio de investigación de la Western Electric. Desarrolló el primer radio-receptor trasatlántico de los laboratorios Bell (1915). Inventó el circuito de oscilación electrónica (oscilador de Hartley) y sus aplicaciones fueron muy notables en el desarrollo del transporte de la voz. En 1928 dio a conocer los primeros argumentos para una ciencia matemática de la información. Definió la información como una variable aleatoria y fijó los primeros criterios de medición (‘Transmission of Information’, en Bell System Tech. Journal, vol. 7, 1928, págs. 535-563). Hartley formuló la ley que señala que la cantidad total de información que puede transmitirse es proporcional al rango de frecuencia transmitido y el tiempo de la transmisión. La información en términos matemáticos se convierte en realidad en una medida del flujo de datos que constituye la comunicación. Trabajó con códigos binarios, que estaban en el origen de los lenguajes de computación, de modo que la información era una sucesión numérica de dos opciones (ceros y unos, ‘síes’ y ‘noes’)
Junto con Claude Shannon (1948) describió en llamado teorema Shannon-Hartley acerca de la eficiencia de los procesos de error-corrección en la transmisión de información frente a los niveles de ‘ruido’ y degradación de las señales. El teorema señala que sólo es posible eliminar el 'ruido' en la transmisión de información cuando el flujo de información no exceda la capacidad del canal.
Fue miembro de la American Association for the Advancement of Science.