Les membres de Metallica étaient en train de chercher un bassiste plus sérieux et plus habile que leur bassiste actuel, Ron McGovney, (comme ils le racontent dans les commentaires de l'album Garage, Inc.) alors qu'ils assistaient à un concert du groupe de Cliff de l'époque, Trauma. Ils entendirent alors ce qu'ils croyaient être un solo de guitare endiablé et, se demandant où se trouvait le guitariste, ils se rendirent compte que Cliff jouait de la basse en utilisant une pédale « wah-wah ». Ils décidèrent de le recruter sur-le-champ, suite à quoi ils durent s'installer à San Francisco.
Cliff ne cessa ensuite de monopoliser le lecteur de cassette lorsque le groupe était en tournée, et fit découvrir aux rockers invétérés du groupe une large sélection d'artistes avec lesquels ils étaient peu familiers - comme les groupes Misfits et Thin Lizzy ou le grand pianiste Glenn Gould jouant du Bach.
Sa manière de jouer était inhabituellement variée pour un joueur de heavy metal, allant de morceaux de rock ultra-rapides à des mélodies très élaborées en passant par des semblants de solos de guitare. La seule influence qui puisse clairement être reconnue dans son style est celle de Geddy Lee, du groupe Rush ; comme ce dernier (et à l'opposé d'autres virtuoses du metal qui semblent préferer les basses à 5 ou 6 cordes) Cliff jouait sur une basse habituelle à 4 cordes.
Le 27 septembre 1986, lors de la tournée de Metallica en Europe pour la promotion de l'album Master Of Puppets, leur bus s'est retourné sur une petite route de campagne en Suède. Cliff Burton s'est fait écraser à deux reprises par le car (une première fois lors de l'accident et une deuxième fois lors d'une tentative infructueuse de soulever le car avec un treuil) et est décédé.
Son corps fut incinéré le 7 octobre au crématoire de Castro Valley (sa ville natale), et ses cendres furent répandues au Maxwell Ranch, un de ses endroits de sortie préférés.
Il fut le co-auteur de nombreuses chansons de Metallica, comme Master of Puppets, Orion, For Whom The Bell Tolls, ou Fade to Black. Outre son solo Anesthesia - Pulling Teeth sur Kill 'Em All, les meilleurs exemples de ses talents d'auteur et d'interprète sont les chansons Leper Messiah, Orion ( de Master Of Puppets) ou encore The Call of Ktulu (Ride The Lightning).
Suite à sa mort, le groupe s'est longuement remis en question et a décidé de continuer en recrutant finalement Jason Newsted comme nouveau bassiste. La chanson To Live is to Die, parue sur l'album suivant de Metallica, lui est dédiée : elle reprend les derniers morceaux qu'il avait écrits, et on y entend James Hetfield citer une phrase que Cliff avait dite dans une interview :
When a man lies he murders
Some part of the world
These are the pale deaths which
Men miscall their lives
All this I cannot bear
To witness any longer
Cannot the kingdom of salvation
Take me home
(Pour l'anecdote, le début de cette phrase : "When a man lies he murders some part of the world" avait déjà été entendu chez le personnage de Merlin, dans le film "Excalibur" de John Boorman, en 1981.)
En dehors de Metallica, Dave Mustaine (un ancien guitariste de Metallica) a écrit une chanson In My Darkest Hour, qu'il a dit être en mémoire de Cliff Burton. De même pour Joe Satriani qui écrivit en sa mémoire Guitar in memory of Cliff Burton.
