Nació en Arequipa, Perú el 28 de marzo de 1936. Hijo de Ernesto Vargas Maldonado y de Dora Llosa Ureta quienes se separaron antes de que él naciera. Proveniente de una familia de clase media, a temprana edad viajó a la ciudad boliviana de Cochabamba donde vivió toda su infancia y cursó sus primeros estudios en el Colegio La Salle de esa ciudad. Durante el gobierno de José Luis Bustamante y Rivero su abuelo obtuvo un cargo político en la ciudad de Piura por lo que regresó junto a toda su familia y se instaló en esa ciudad. En 1946 conoce a su padre quien residía en la ciudad de Lima. A partir de ese año se muda a la ciudad capital junto con su madre y su padre.

En Piura cursó sus estudios primarios en el Colegio Salesiano de esa ciudad. Una vez en Lima estudio en el colegio "La Salle" y, durante dos años, en el Colegio Militar Leoncio Prado ubicado en el distrito chalaco de La Perla. En el verano anterior al inicio de su último año de colegio, Vargas Llosa se inició en el oficio de periodista. Se retiró del colegio militar y ese último año lo curso en la ciudad de Piura donde trabajó en la publicación del periódico local La Industria y donde, por otro lado, se llevó a cabo la representación teatral de su primera obra dramática La Huida del Inca.

Durante el gobierno de Manuel A. Odría ingresó a la Universidad Nacional Mayor de San Marcos donde llevó algunos cursos de Derecho y terminó la carrera de Letras. Su vocación de escritor se iba consolidando a la par que su carrera como periodista iba cediendo paso a sus nuevas obligaciones. Contrajo matrimonio con Julia Urquidi en 1955, quien era una tía política por parte materna. Debido a la diferencia de edades, su matrimonio no duró mucho. La pareja no pudo tener hijos.

En 1958 obtuvo la beca de estudios "Javier Prado" que le permitió viajar a Madrid al año siguiente donde cursa un Doctorado en la Universidad Complutense de Madrid, obteniendo el grado de "Doctor en Filosofía y Letras". En 1959 publica un conjunto de cuentos bajo el título de Los Jefes que obtiene el "Premio Leopoldo Arias". Luego de doctorarse se instala en París.

Suscitó la atención como escritor por primera vez con su novela La Ciudad y los Perros (1962) (traducida en 1963 al inglés bajo el título de The Time of the Hero) basada en las propias vivencias adolescentes del autor como cadete en el Colegio Militar Leoncio Prado. Su obra a menudo critica la jerarquía de castas sociales y raciales vigente aún hoy en el Perú y en América Latina. Muchos de sus escritos son también de naturaleza autobiográfica, como La Casa Verde (1966) y La Tía Julia y el Escribidor (1977). Su abarcante novela histórica La guerra del fin del mundo (1981) tiene lugar en las profundidades del sertao brasileño del siglo XIX, estando basada en hechos auténticos de la historia del Brasil, la revuelta antirrepublicana de masas milenaristas sebastianistas guiadas por el taumaturgo iluminado Antonio Conselheiro en el pueblo de Canudos.

En 1965 se casa con Patricia Llosa (prima suya) con la que tuvo tres hijos. Regresa a Europa donde reside entre París, Londres y Barcelona. En 1974 regresa al Perú e incursiona en el periodismo televisivo como conductor del programa político "La Torre de Babel".

En la década de 1980, Vargas Llosa se volvió políticamente activo y causó sorpresa con sus posiciones liberales, ya que la intelectualidad de la época se caracterizaba por su público izquierdista. En 1983 obtiene el cargo más polémico de su carrera al ser nombrado por el entonces Presidente del Perú, Arquitecto Fernando Belaúnde Terry, como presidente de la Comisión Investigadora del Caso Uchuraccay donde los comuneros asesinaron a ocho periodistas.

En 1987, ante los intentos del gobierno aprista de Alan García Pérez de estatizar la banca peruana, Vargas Llosa se perfila como líder político al encabezar la protesta contra esa acción. Inicia su carrera política y se presenta como candidato para asumir la Presidencia del Perú en 1990. Gran parte de la campaña electoral tuvo a Vargas Llosa como candidato favorito sin embargo, un súbito crecimiento del candidato Alberto Fujimori, quien hasta 15 días antes de la elección aparecía con menos del 10% de las preferencias, forzó una segunda vuelta electoral en la cual Vargas Llosa perdió la elección. Luego de las elecciones, salió del Perú y se instaló en Madrid. El gobierno del PSOE le concedió la nacionalidad española en 1993, sin que tuviera que renunciar a la peruana por lo que mantiene ambas. Es miembro de la Real Academia Española de la lengua.

Vargas Llosa volvió a ocuparse en la literatura con su libro autobigráfico "El pez en el agua" en 1993, Los cuadernos de Don Rigoberto en 1996. El paraíso en la otra esquina en el 2002. El libro de Vargas Llosa El Chivo (2000), descripción del dictador que por treinta años fue patrón absoluto de Santo Domingo, el generalísimo Rafael Leónidas Trujillo, confirma la calidad y la habilidad de la cual Vargas Llosa ha dado prueba, de tomar los momentos incluso históricos, como en este caso, para sus novelas.

Dice Vargas Llosa: "La vocación literaria no es un pasatiempo, un sport, un juego refinado que se práctica en los momentos de ocio. Es una dedicación exclusiva y excluyente, una prioridad a la cual no se puede anteponer nada, una servidumbre libremente escogida que vuelve las propias víctimas (víctimas felices) esclavos."

El último libro de Vargas LLosa, La tentación de lo imposible "pertenece al pequeño grupo de obras de Mario Vargas Llosa que constituyen estudios literarios o ensayos acerca de un determinado título o autor (García Márquez, historia de un deicidio, La orgía perpetua: Flaubert y "Madame Bovary", La verdad de las mentiras). La elección del tema - Los miserables, de Victor Hugo- es más bien desconcertante, porque uno asocia al gran escritor peruano con la tradición realista decimonónica, con los creadores que generaron un mundo total a partir de su época y sociedad, tales como Dickens, Balzac, Melville, Tolstoi, lejos de la archirromántica, exuberante, hiperbólica personalidad de Victor Hugo. En todo caso, Vargas Llosa pasa bien la prueba, sea por su conocimiento del infinito autor galo, sea porque simplemente no puede, a estas alturas, darse el lujo de componer un superficial esbozo en torno al asunto que esta vez escogió." (Camilo Marks, El Mercurio, Cile)