初名は勝栄（かつなが）。通称は助太郎、源太夫。号は修業堂兵学・武術の達人で知られた父・窪田勝英から中島流砲術、外祖父・黒野義方から山鹿流兵法・吉富流居合を伝授される。甲州流軍学（都築勘助門人）、越後流軍学（松本三甫門人）、長沼流軍学（斎藤三太夫門人）も習得し、山鹿流兵法学者として甲越長沼等諸流兵法を兼修した。武術では、田宮流剣術・居合・関口流柔術（平野匠八門人）、宝蔵院流槍術（鈴木大作門人）、無辺夢極流槍術（和田孫次郎門人）、小笠原流弓術（小笠原館次郎門人）、日置流弓術（土井主税門人）、大坪流上田派馬術（浅井金兵衛門人）、外記流砲術（井上左太夫門人）、能島流水軍(小島元八門人）を習得、皆伝した。兵法と武術のみならず、伊勢流武家故実（本多忠憲門人）、国学（加藤千蔭門人）、和歌、書（岡田真澄門人）を学び、師範免許を得ている。1841年（天保12年）、得意の田宮流居合を将軍・徳川家慶に上覧したことをきっかけに、窪田派田宮流の名が広まり、全国から門人が集まった。1842年（天保13年）、御納戸頭の職位にある時に天保の改革原案作成をめぐり羽倉簡堂と論争を起こし、水野忠邦によって御役御免となった。寄合席に編入された清音は、門人育成と古伝の著述に力を注ぎ、「山鹿伝采幣伝授」「剣法略記」「形状記」をはじめ兵書50部、剣法38部、水軍2部、砲書3部、雑書11部、武家故実類書13部など生涯で130部を著し、兵法、武家故実の研究家、武術家として大きな業績を挙げた。1855年（安政2年）、男谷精一郎が長年建議していた講武所を幕府が新設すると、清音は山鹿素水との関係が深い九鬼隆都の推薦もあり、兵法、武術、古伝研究の第一人者として幕府講武所頭取兼兵学師範役に就任した。幕末の情勢で近代兵器が台頭する状況で、清音は山鹿流の伝統的な武士道徳重視の講義を続けたことで様々な反応を呼び起こしたが、石岡久夫の研究によると、講義では士道の軸となるべく山鹿流の武士道徳を強調した反面、清音が著した五十部の兵書のうち、晩年の「練兵新書」、「練兵布策」、「教戦略記」などは、練兵主義を加えることで、山鹿流を激変する幕末の情勢に対応させようとしていたという。1860年（万延元年）には、清音の序を載せた講武所版「武教全書」五巻が版行されている。
2005年、竜王戦の挑戦者決定三番勝負において2-0で三浦弘行を破り、ついにタイトル初挑戦。挑戦を決めた対局の後、盤の前に一人残り、涙を流した。しかし、七番勝負は渡辺明竜王に0-4で敗れる。2006年度、第65期順位戦B級1組において1位（9勝3敗）の成績を挙げ、2007年4月、A級八段となる。同じく2007年、竜王ランキング戦1組で優勝。さらに挑戦者決定三番勝負に進出するも、佐藤康光に1-2で敗れる。2008年、自身4度目の竜王挑戦者決定三番勝負で、7年ぶりに羽生と挑戦権を争う。さらに王座戦でも王座16連覇中の羽生への挑戦権を得、五番勝負を戦う（自身2度目のタイトル戦登場）。この2つの番勝負は日程が並行していたため、羽生との「八番勝負」のようになったが、いずれも敗退した（竜王挑決1-2、王座戦0-3）。2009年度、第79期棋聖戦挑戦者決定戦（2009年5月7日）で、同棋戦初参加の稲葉陽を破り羽生棋聖への挑戦権を得る。さらに、第50期王位戦でも、羽生名人、渡辺竜王らを破って深浦康市王位への挑戦権を得、タイトル2連続挑戦。羽生との棋聖戦五番勝負は第3局まで2勝1敗でリードして、奪取にあと1勝としたが、第4局で敗れてフルセットの戦いとなる（第4局のネット中継では、最終盤に羽生の手が激しく震えたことが紹介された）。そして、第5局（2009年7月17日）は王位戦第1局（2009年7月13日 - 14日、木村の勝ち）より後に行なわれたが、羽生に敗れ、棋聖位奪取を逃す。また、王位戦七番勝負でも第3局まで3連勝したものの、第4局から4連敗を喫し、またしても初タイトル獲得に失敗している。七番勝負での3連勝4連敗は、将棋界では2例目である。これで将棋大賞の敢闘賞を受賞した。デビュー以来第68期（2009年度）まで順位戦で13期連続負け越しなしを記録（勝ち越し12、指し分け1。A級では3期連続で5勝4敗）。その時点までA級経験者で順位戦の負け越しが一度もないのは、木村一基、木村義雄十四世名人（名人8期・A級2期で引退）、森内俊之（名人5期・A級17期）の3名だけであった。しかし、第69期（2010年度）A級順位戦で初の負け越しを喫した。第4回（2010年度）朝日杯将棋オープン戦において、2011年2月12日に行われた準決勝（対渡辺明竜王）・決勝（対羽生善治名人）の2局で連勝し、全棋士参加棋戦での初優勝を果たす。しかし、3月2日に行われたA級順位戦最終戦で、残留争いの渦中にいた三浦に負け、B級1組への降級が確定。2014年、第55期王位戦挑戦者決定戦（2014年5月26日）で千日手指し直しの末、千田翔太四段に勝利し、羽生王位への挑戦権を獲得するも、2勝4敗1持将棋で、タイトル獲得ならず。2016年、第57期王位戦挑戦者決定戦（2016年6月1日）でも豊島将之七段に勝ち、2年ぶりに羽生王位への挑戦権を獲得。七番勝負は第5局の時点で木村が3勝2敗と先行、初タイトルまであと1勝と迫ったが、第6局と第7局で連敗。3勝4敗で木村のタイトル獲得は成らなかった。これで勝てば初タイトルとなる対局で8局連続敗北したことになる。またタイトル獲得無しの挑戦6回は森下卓と並んで最多記録となった。更にタイトル未獲得のままでのタイトル戦番勝負10勝（22敗1持将棋）は全棋士の中で歴代単独1位である。