Másfél éves korában veszítette el apját, gyermekkorában nők vették körül. „Az apa hiánya az első olyan életrajzi mozzanat, mely meghatározó nyomot hagyott, pontosabban visszatérő elemmé vált Ottlik műveiben” – olvashatjuk Szegedy-Maszák Mihály monográfiájában.

1923–1926-ig a kőszegi katonai alreáliskola növendéke volt, 1926-tól a budapesti katonai főreáliskolában folytatta tanulmányait. A katonaiskola mikrotársadalma, az itt szerzett élmények szolgáltatták az Iskola a határon című regény élményanyagát, s döntő módon hatottak az író gondolkodásmódjára. Érettségi után Ottlik beiratkozott a budapesti tudományegyetem matematika–fizika szakára. „Magyar–francia–matematika szakra akartam beiratkozni, ki is töltöttem a nagy barna íveket, de a tanárképzőben figyelmeztettek, hogy ez együtt nem megy, húzzam ki a matematikát. Vitatkozni próbáltam, még csak nem is válaszoltak, persze; mire dühömben kihúztam a magyart és a franciát” – emlékszik vissza az író a Réz Pállal folytatott Félbemaradt beszélgetésben. Az egyetemen a világhírű Fejér Lipót tanítványa volt, akire évtizedek múltán is elragadtatottan emlékezett vissza:

Sokoldalúságát, érdeklődési körének tágasságát nemcsak a természettudományok, különösen a matematika iránti vonzódása jelzi. Az iskolai évek alatt atletizált, a szellemi sportok közül pedig a bridzs foglalkoztatta. Egyetemi hallgatóként 1933-tól a Budapesti Hírlap bridzsrovatát szerkesztette; ő tudósította a lapot az 1934-es bécsi Európa-bajnokságról is. Mivel a harmincas években tanári állást találnia szinte lehetetlen volt, Ottlik újságíróként próbált érvényesülni. Az Új Nemzedék című lapnál „fizetés nélküli slapaj”, 1942-től az Esti Kis Újság munkatársa volt.

Első novellái a Napkelet című folyóiratban jelentek meg 1931-ben, 1939-ben a Nyugat is közölte A Drugeth-legenda című elbeszélését. Ez a megjelenés rendkívül fontos volt Ottlik számára. „A második próbálkozásomat, évekkel később, elfogadták – írja a fentebb említett visszaemlékezésben. – Babits azt üzente: tetszett. Ezzel befogadtak a Nyugatmunkatársának. Nagyobb dicsőség soha nem ért. Ma is féltékenyen óvom az irodalomtörténeti skatulyában a helyemet, mint a Nyugat harmadik nemzedékéhez tartozó elbeszélő” – olvashatjuk a Vallomások a Nyugatról című kötetben megjelent írásában.

A háború alatt Ottlik légoltalmi szolgálatot teljesített, Budapesten való tartózkodása így lehetővé tette számára, hogy feleségével, Debreczeni Gyöngyivel együtt üldözötteket bújtasson Riadó utcai lakásukon. Itt vészelte át a zsidóüldözést, a nyilas időket a költő-barát, Vas István is. A háború alatt írt cikkei is Ottlik morális tartásáról és személyes bátorságáról tanúskodnak. Az Esti Kis Újságban 1943. március 15-ére írt ünnepi cikke példázatszerűen beszél a nemzeti függetlenség megőrzéséről a németekkel szemben.

„A hivatalos Magyarországnak közelebb kell kerülnie a másikhoz, a szellemi Magyarországhoz” – jelentették ki azon az összejövetelen, melyet Némethy Károly polgármester lakásán tartottak. 1945-ben Ottlikot a magyar PEN Klub titkárává választották, 1947-ben több más írótársával részt vett a társaság zürichi ülésén. Ugyanebben az évben a római Magyar Intézet ösztöndíjasa volt. 1945–46-ban rövid ideig a Magyar Rádió dramaturgjaként működött, Huszonöt év magyar irodalmacímmel előadás-sorozatot tartott a rádióban. Számos hangjátékot fordított francia és amerikai szerzőktől, s Valencia-rejtély (1946) címmel maga is írt egyet, mely azonban a politikai változások miatt már nem hangozhatott el a rádióban. A mű, melyet az író „természettudományos krimi”-nek szánt, végül húsz év késéssel, 1988-ban jelent meg aKortárs című folyóiratban. Ugyanebben az évben a Radnóti Színpad felolvasó színpadán elhangzott Dömölky János rendezésében, aki tévéfilmet is készített belőle.

Ottlik elbeszélései, kritikái, tárcái az 1948-ban bekövetkező politikai fordulatig, a kommunista diktatúra beköszöntéig elsősorban az Új Idők, a Válasz és a Magyarok című lapokban láttak napvilágot. 1948-ban elkészült az Iskola a határon alap-változata, aTovábbélők című regény, melyet azonban az író visszavett a Franklin Kiadótól. Megjelenésére csak 1999-ben került sor, Kelecsényi Zoltán gondozásában.

1948-tól 1957-ig a dogmatikus irodalompolitika következtében Ottlik, számos íróval-költővel egyetemben, kiszorult az irodalmi életből, bezárultak előtte a publikálási lehetőségek. Feleségével Gödöllőre költözött, és műfordításból próbált megélni. „Megbénult az egész magyar irodalom. Mindnyájunknak abból kellett megélnünk, hogy fordítani kezdtünk, fordításokat vállaltunk. Ezt tette a Nyugat egész második és harmadik nemzedéke” – mondta az író a Hornyik Miklóssal folytatott beszélgetésben. Nevéhez fűződik többek közt Gottfried Keller és Thomas Mann elbeszéléseinek, Hemingway: Az öreg halász és a tenger című kisregényének, Bernard Shaw és Osborne színműveinek magyar fordítása. Különösen Dickens regényeit fordította szívesen (Örökösök, 1950; Martin Chuzzlevit élete és kalandjai, 1952; Copperfield Dávid, 1954; A Pickwick Klub hátrahagyott iratai, 1955). Fordítói munkájának elismeréseképpen az angol kormány meghívására 1960 őszén néhány hetet Londonban töltött.

Ottlik 1957 után térhetett vissza az irodalmi életbe. Feleségével együtt visszaköltözött Budapestre. Ebben az évben jelent meg a Hajnali háztetők című kisregény, egy sor elbeszéléssel közös kötetben. Ez a mű is újraírás eredményeként született: az első változat 1944-ben jelent meg a Magyar Csillagban. 1959-ben látott napvilágot a „főmű”-ként kanonizált Iskola a határon, 1969-ben a Minden megvan című elbeszéléskötet. APróza című kötet (1980) szellemi önéletrajzként is olvasható: benne az író esszéit, tanulmányait, cikkeit, kritikáit rendezi kronologikus rendbe, s helyezi személyes hangú, novellaszerű keretbe. A Buda című regény (1993), melynek szövegét Lengyel Péter gondozta, részletszépségei ellenére sem váltotta be az új „nagyregényhez” fűződő reményeket: többen az Iskolához írt széljegyzetek, feljegyzések halmazaként olvasták. „Megszületett egy érdekes és jelentős könyv – nem született meg egy korszakos remekmű” – állapította meg a regényről egyik méltatója, Margócsy István.

Érdekes, rendhagyó vállalkozás a Kalandos hajózás a bridzs ismeretlen vizein című kötet, mely műfaja szerint bridzs-szakkönyv, előadásmódja azonban szépprózai. Először angolul jelent meg 1979-ben (Adventures in Card Play, Hugh Kelsey-vel), majd magyarul is 1997-ben (ford. Homonnay Géza és Kelen Károly).

1990. október 9-én halt meg, Budapesten.

1981 – József Attila-díj

1985 – Kossuth-díj

1988 – Szép Ernő-díj

1990 – Örkény István-díj