از کودکی علاقه به موسیقی و ریتم در او نمایان بود تا با تشخیص پدر؛ استاد محمد رضا شجریان، نزد استاد تنبک شادروان ناصر فرهنگفر به فراگیری تکنیک و شناخت ریتم که اساس موسیقی است، پرداخت.
وی چند سالی هم نزد جمشید محبی به فراگیری پرداخت و از 10 سالگی در کنار خواهران خود نزد پدر، آواز را شروع کرد و در دوران بلوغ، روزانه تکنیک آواز و صدا‌سازی را به صورت فشرده فرا گرفت.
همایون در همان زمان به هنرستان موسیقی رفت و کمانچه را به عنوان ساز تخصصی خود انتخاب کرد و در خارج از هنرستان به ادامه فراگیری هنر نزد اردشیر کامکار پرداخت.
از سال 1370 پدر و گروه آوا را در کنسرت‌های آمریکا، اروپا و ایران با تنبک همراهی کرد و از سال 1378 به بعد در صحنه کنسرت‌ها با پدر همخوانی را آغاز کرد.
همایون در چندین دوره کنسرت‌های خارج از کشور با بزرگان موسیقی ایران به صحنه رفته است.
برنامه نسیم وصل به آهنگسازی محمد جواد ضرابیان اولین برنامه‌ای است که وی به تنهایی خوانندگی آن را بر عهده داشت.
وی در سال 1382 اولین آلبوم مستقل خود را با نام نسیم وصل منتشر کرد و پس از آن در سال ۱۳۸۳ دو آلبوم شوق دوست و ناشکیبا را منتشر کرد.
همایون در سال ۱۳۸۴ نقش خیال را به آهنگسازی علی قمصری به بازار عرضه کرد که با استقبال فراوانی روبرو شد. در مهر ماه ۱۳۸۵ نیز آلبوم با ستاره‌ها حاصل همکاری او با محمد جواد ضرابیان منتشر شد.
در سال ۱۳۸۷ دو آلبوم قیژک کولی و خورشید آرزو را با همکاری گروه دستان منتشر کرد. او آب، نان، آواز را به آهنگسازی علی قمصری در سال ۱۳۸۸ و آلبوم شب جدایی را در سال ۱۳۸۹ منتشر کرد. در سال ۱۳۹۰ او آلبوم شوق نامه و ای جان جان بی‌من مرو را عرضه کرد. آلبوم شوق نامه به نوعی بازیابی تصانیف منسوب به عبدالقادر مراغه‌ای است که حاصل ۴ سال تلاش گروهی به سرپرستی محمدرضا درویشی است.
البته همایون شجریان تا سال ۱۳۸۸ پدرش را در اجراها همراهی می‌کرد. این دو مدت زمانی عضو گروه آوا بودند و در این دوران دو آلبوم غوغای عشق‌بازان و کنسرت محمدرضا شجریان و گروه آوا اجرا و به بازار عرضه شدند.
ترانه وطن بر اساس شعری با همین نام از سیاوش کسرایی از کارهایی بود که همایون شجریان چندی قبل از خرداد ۱۳۸۸ منتشر کرد.
خداوندان اسرار که هجدهمین آلبوم موسیقی همایون شجریان به حساب می‌آید که به عنوان خواننده اصلی در آن حضور دارد و بعد از تجربه موفق و جهانی «مستور و مست» یک اثر پنج قسمت است که به صورت صوتی و تصویری و یک مستند به نام «آنسوی آیینه‌ها» به کارگردانی رخشان بنی اعتماد عرضه شد.
خداوندان اسرار شامل دو بخش است. در بخش اول آن ساز و آوازی بداهه در مقام اصفهان با اشعاری از مولوی اجرا شده و بخش دوم شامل روایتی با نام «رهایی» در سه پرده «مهتاب، خداوندان اسرار، جانی و صد آه» روی اشعاری از خیام، مولوی و حافظ است. در این آلبوم موسیقی، آزاد میرزاپور (بربت)، حسین رضایی نیا (دف)، همایون نصیری (سازهای کوبه‌ای)، آیین مشکاتیان (کوزه)، محمت اکاتای (سازهای کوبه‌ای)، آرشاک ساهاکیان (دودوک)، آرین کشیشی (گیتار باس) و سهراب پورناظری (تنبور) آواز همایون شجریان را همراهی کرده‌اند. این اثر که در ایران، ترکیه و آمریکا ضبط شده، در ایران توسط «غلامرضا صادقی» میکس و مسترینگ شده و توسط شرکت موسیقی «ایران‌گام» منتشر شده‌است.