Szülei válása után Bolíviában, az anyai nagyszülőknél nevelkedett. Apja és anyja idővel újraházasodtak, s apja - hogy az elkényeztetett fiúból férfit faragjon - katonai iskolába íratta. Llosa korán írni kezdett, s 22 évesen Párbaj című novellájával egy pályázaton madridi ösztöndíjat nyert. Ennek lejártával nem tért vissza Peruba, megkezdte hosszú, önkéntes emigrációját. Párizsban a francia rádió spanyol nyelvű adásának munkatársaként ismerkedett meg a latin-amerikai irodalom nagyjaival: Miguel Asturiasszal, Julio Cortazárral. A hetvenes évektől felváltva élt Spanyolországban, Angliában, Japánban és Peruban. 1994-ben megkapta a spanyol állampolgárságot.

1963-ban Barcelonában jelent meg első regénye, A város és a kutyák, amelyben a katonai iskolában szerzett pokoli élményeit örökítette meg. Az írás meghozta számára a világhírnevet. Ezután sorra következett A zöld palota, a Négy óra a Catedralban, a humoros Pantaleón és a hölgyvendégek, a Júlia néni és a tollnok, majd A világvége háborúja című történelmi regény. Több idő- és térbeli síkon játszódó elbeszélései is magukkal ragadják az olvasót, az intenzív ritmusú történeteket hús-vér figurák népesítik be.

Bár történetei elsősorban a perui és latin-amerikai valóságot tükrözik, Vargas Llosa nem csak a spanyol nyelvterületen, hanem az egész világon ismert és kedvelt író. Regényeinek nagy része magyar nyelven is megjelent, sőt a budapesti Vígszínház 1989-ben nagy sikerrel mutatta be a Pantaleón és a hölgyvendégek musical változatát. Kétszer járt Magyarországon, először 1998-ban az Európa Könyvkiadó vendégeként, a Don Rigoberto feljegyzései című könyvének megjelenése alkalmából, majd 2003-ban ő volt a Budapesti Nemzetközi Könyvfesztivál díszvendége, s átvehette a Budapest Nagydíjat is.

Az író komolyan politizál is. A hatvanas években a szocializmus eszméjéért lelkesedett, mostanra már szelídebb, liberális elveket vall. 1990-ben Peruban elindult az elnökválasztáson és csak kevéssel maradt le a győztes Alberto Fujimori mögött - ezt az időszakot Hal a vízben című regényében örökítette meg.

Vargas Llosa 1976 és 1979 között volt a Nemzetközi PEN Club elnöke. 1994-ben életművéért megkapta a legmagasabb spanyol irodalmi kitüntetést, a Cervantes-díjat, 1996-ban a német könyvszakma tekintélyes kitüntetését, a Béke-díjat, 1998-ban első nem amerikai állampolgárként az Egyesült Államok legfontosabb irodalmi elismerését, a kritikusok díját. A Nobel-díjra nem egy alkalommal jelölték, 1995-ben a perui írószövetség vonta vissza jelölését "Peru-ellenes" magatartására hivatkozva: az író ugyanis a perui-ecuadori határviszály miatt bírálta Fujimori elnököt. Az irodalmi Nobel-díjat végül 2010-ben nyerte el, "a hatalmi berendezkedések feltérképezéséért, és az egyén ellenállását, lázadását, alulmaradását bemutató erőteljes ábrázolásmódért".

Újabb regényei közül 2000-ben jelent meg A kecske ünnepe, 2003-ban az Édenkert a sarkon túl, utolsó kötetét A kelta álma címmel 2010-ben adták ki.