生年不详，作为楠木正成的嫡长子在河内国出生，幼名多闻丸，于河内国往生院学武。与被称为「大楠公」的父亲·
楠木正成相对应称为「小楠公（しょうなんこう）」。
《
太平记》记载1336年（建武3年）
凑川之战前，楠木正成似乎已经觉察到了自己的命运。他率军行至樱井驿，将11岁的儿子正行遣返回乡，嘱咐后事，决心拼死一战，即“樱井驿诀别”。父子两人诀别的悲痛情景令人心酸，西乡隆盛曾作诗云： 殷勤遗训泪盈颜，千裁芳名在此间。花谢花开樱井驿，幽香犹逗旧南山。
楠木正行之父
楠木正成为
后醍醐天皇部下，后醍醐天皇倒幕失败南逃后建立南朝，与镰仓幕府扶持的北朝
光严天皇对峙。楠木正成凑川之战败于
足利尊氏自杀，正行继承亡父遗志，当他接到父亲首级的时候十分悲伤，要想自杀，被母亲劝阻，进行庭训，誓为父报仇。成为南朝的栋梁，备受期待。
1347年(南朝正平二年，北朝贞和三年)11月在摄津住吉瓜生野及天王寺打败细川显氏、山名时氏。足利尊氏接到任吉和天王寺失败的消息后，便计划消灭楠木氏的势力，派高师直、师泰兄弟带兵六万攻打河内。正行与二弟正时、和田贤秀等一族到吉野参拜后村上天皇和先皇·后醍醐天皇的灵庙，抱着决一死战的觉悟迎战。
正平3年/贞和4年（1348年）高师直率领大军与楠木军在四条畷对峙，楠木军以少数兵力突击企图先一步取下高师直首级，然而实际兵力相差太大，楠木军在足利方压倒性兵力面前败北，正行与弟弟楠木正时互刺而死。高师直乘势攻陷南朝本城吉野（奈良县吉野郡吉野町），后村上天皇逃亡贺名生（同县五条市）。战后，
楠木正仪继承楠木氏当主。