1912. május 9-én született Budapesten, egy olyan családban, mely nemesi eredettel büszkélkedhetett. Édesapját nagyon korán elveszítette, másfél éves volt, amikor a belügyminisztériumi titkár meghalt. Tanulmányait a kőszegi katonai alreál iskolában kezdte, majd a budai főreál katonai iskolában folytatta. A budapesti egyetem matematika-fizika karán szerzett diplomát. Mégsem diplomájának megfelelő szakmában helyezkedett el, már egyetemi évei alatt publikált több folyóiratban. 1931-ben jelentek meg első írásai, a Napkeletben.
Képesítése révén aktívan részt vett a háborúban, légoltalomban mentett üldözötteket. A háború után a Nyugat hagyományait követve akarta megújítani az irodalmi életet. Mesterének tartotta Kosztolányi Dezsőt, Márai Sándort és Andre Gide is nagyban befolyásolta írói formálódását. A magyar irodalom huszonöt évéről tartott előadásokat a Magyar Rádióban. Aktívan fordított elsősorban a Rádió számára.
1948-ban elkészült az Iskola a határon regényének első változatával, amit azonban csak 1959-ben jelentetett meg. Ez idő alatt a stílusának, egyéniségének megfelelően csiszolgatta, javítgatta, módosította az eredeti változatot. Ebben az időszakban nem vált előnyére nemesi származása, 1952-ben kuláknak nyilvánították, és ki akarták telepíteni. A Magyar Írószövetség közbelépésével maradt mégis Magyarországon. Közben műfordításokból élt, mivel az akkori politikai helyzet miatt kiszorult az irodalmi életből. 1957-ben megjelent Hajnali háztetők kisregénye. 1960-ban kitűnő fordításai elismeréséért az angol kormány Londonba hívta tanulmányútra.
Élete főműve az Iskola a határon, nagyon sokan emiatt a regény miatt egykötetes írónak tartják. Ez a regény azonban kiapadhatatlannak tűnő értelemzési kérdéssort nyit meg. Önéletrajzi vonatkozása egyértelmű, azonban az elbeszélési/történetmondási technika nehézségei, a kommunikáció problematikussága alapmotívumként vonul végig az önkifejezés ezen megnyilvánulásán. Változnak a nézőpontok és a megközelítési módok, és az időszerkezet is: a jelen és a múlt közötti átjárással teszik valódi csemegévé az olvasó számára ezt a művet. A külső idő és a belső, átélt időtartam bemutatása azáltal is sokrétűbb lesz, ahogy az egyes eseményeket több nézőpontból is megismerhetjük. Buda című hosszabb regényét sokan az Iskola a határon ikerdarabjának tekintik, és megértése igényli is ennek a műnek az ismeretét. Szereplői ugyanazok, de hiányzik belőle az Iskola a határont jellemző áttekinthetőség.
Ottlik Géza egyéniségének érdekes vonása, hogy a bridzs kiemelkedő alakja volt, több válogatottban szerepelt nagyon jól, bridzsrovatot szerkesztett. Feleségével, Debreczeni Gyöngyivel együtt szerkesztettek egy meseátdolgozás-kötetet, Garabó Gereben címmel. 1969-ben kiadott egy elbeszéléskötetet Minden megvan címmel. Felesége halála utáni évben jelent meg a Próza című írása, ami nagyon jól tükrözi a törést, amit felesége elveszítése okozott az író számára.
1981-ben József Attila-díjat, 1985-ben Kossuth-díjat, 1988-ban Szép Ernő-díjat, 1990-ben Örkény-díjat kapott.
1990. október 9-én halt meg Budapesten. Életműve nem mennyiségi szinten, hanem minőségileg gazdagítja a magyar irodalmat, kritikái, esszéi, novellái, tanulmányai, kisregényei, regényei száma nem nagy, mivel állandóan csiszolgatta, javítgatta, átírta műveit. Kerek életművet akart hátrahagyni, élete vége felé ezért dolgozott műveivel. Műfordításai sokkal jelentősebb mennyiséget mutatnak. Ő fordította Dickens Copperfield David-ját, Twist Olivér-jét, Eric Knight Lassie hazatér című művét, és Hemingway Az öreg halász és a tenger c. alkotását, sok más egyéb regény mellett.
Tandori Dezső és Esterházy Péter vallja Ottlik Gézát mesterének. Érdekes adalék, hogy Esterházy lemásolta az Iskola a határon teljes változatát egyetlen egy lapra.