平治元年(1159年)の平治の乱で源義朝に従い平氏と戦った父の敗北により、共に関東へと落ち延びる。伊豆国に流罪となった源頼朝の側近として仕え、弟たちと共にその挙兵を助けた。
　平治の乱で敗走したのち、父の秀義は所領の近江佐々木荘を逃れて相模国渋谷荘にあり、定綱は宇都宮に客居していた。治承4年(1180年)以仁王の挙兵3ヶ月後の8月、秀義は大庭景親に招かれて頼朝討伐のことを知り、たまたま渋谷荘にいた定綱を使いとして頼朝に危急を知らせた。8月17日、定綱は弟達と共に平氏打倒を決意した頼朝に従い、平兼隆の後見で勇士とされた堤信遠を討つべくその邸宅へと赴き、弟の経高,高綱と共に信遠を討つ。20日、頼朝に従い相模国へと赴くも石橋山の戦いで敗れる。安房へ逃れ再び兵を集めた頼朝は10月20日の富士川の戦いで平氏を破り、23日に行われた挙兵後初の論功行賞で、定綱ら兄弟は旧領の佐々木庄を安堵される。
　その後も戦功を上げ続け、近江,長門,石見,隠岐の守護へと任ぜられる。建久2年(1191年)、水害で不足していた佐々木庄で年貢を巡り延暦寺との争いが生じる。延暦寺は配下を定綱の宅に乱入させ、これを次男の定重が刃傷し神鏡を破損してしまう。この騒動により強訴が起こり、定重は衆徒によって梟首され、長子･広綱は隠岐国、3子･定高は土佐国、定綱は薩摩国へと配流となる。建久4年(1193年)4月29日に許され、10月28日に鎌倉に帰ると頼朝は大いに歓び、定綱は近江守護に復する。11月27日、頼朝の永福寺への参拝に随い、12月20日には隠岐,長門,石見の守護へと復する。建久6年(1195年)3月には東大寺供養のため上洛し南都に赴いた頼朝に随い、4月15日には石清水八幡宮への参拝に随う。
　その後も幕府の重鎮として活躍し検非違使左衛門少尉に任ぜられ、元久元年(1204年)4月13日には従五位上に除せられる。元久2年(1205年)4月7日、病気によって出家し9日に死去した。享年64。鎌倉の西山に葬られた。

　建久2年(1191年)、佐々木庄の年貢を巡る延暦寺との争いにより一門は流罪とされ、5月8日、広綱は隠岐国に流される。建久4年(1193年)3月12日、後白河法皇の一周忌により罪を許される。
　正治2年(1200年)、梶原景時が排斥されると、2月20日、左衛門尉を務める広綱は、京五条坊門面の景時邸に在る郎従を追捕する。3月、京で殺人事件が起こり騒ぎになると、4月7日、鎌倉に飛脚で子細を伝える。
　建仁3年(1203年)10月8日、源実朝の元服の儀に御家人百余名と共に参列し、鎧剣馬を奉ずる役を千葉常秀と共に務める。19日、使節として上洛し京畿の御家人に将軍への忠誠を誓わせる。
　元久2年(1205年)閏7月26日、牧氏事件で京に在る平賀朝雅を討つ。この功で後鳥羽天皇より寄せかけの紋を賜り、家紋を四目結とした。
　建暦2年(1212年)3月20日、在京奉行の功により一村の地頭職を拝領する。建暦3年(1213年)5月3日、和田合戦に敗れ西海へ落ち延びる和田義盛一族を討ち取るべき旨、北条義時より書状を送られる。京では北条義時父子と大江広元の死が風聞しており、15日、戦場を見た飛脚を伴って参院し状況を報ずる。更に鎌倉への下向を考えるが、3日の書状が届いたことにより、京に留まり院の守りを続けた。
　建保4年(1216年)4月28日、一条河原において東寺の盗賊ら五十余人を検非違使より渡される。盗賊らは鎌倉に送り、後に陸奥国に流された。
　建保6年(1218年)9月21日、延暦寺の僧らが京で強訴し、勅定により宮門でそれを防ぐ。10月19日、仲恭天皇の降誕と源実朝の右大臣任官を飛脚で鎌倉に知らせる。
　承久3年(1221年)5月15日、承久の乱が始まる。広綱は西面武士として官軍に属し、京極高辻の館に住む伊賀光季らを滅ぼし、その館を賜る。館は後に京極氏の家名となる。同日、北条義時追討の宣旨が発せられた。5月22日、鎌倉方は北条泰時を大将とした軍を発し、弟の佐々木信綱はそれに属した。6月3日卯の刻、関東方を迎え討つべく京を発する。4日、尾張国尾張川に至り、大手の将軍として藤原秀康,盛綱,高重,三浦胤義らと共に一万余騎を率い摩免戸を守る。5日、鎌倉方と戦うが、官軍は他と合わせて二万余で敵の半数にも満たず、敗れ帰洛する。12日、軍を率い宇治を守る。14日、宇治川の戦いで敗れ逃れる。7月2日、捕らえられていた広綱は梟首された。
　嫡男･継綱は6月14日に戦死し、次男･為綱と3男･親綱の行方は判らない。4男の勢多加丸は7月11日に捕らえられ、11歳とまだ幼いことから助命されるが、信綱に身柄を奪われ斬首された。佐々木氏は後に信綱が継ぐこととなる。