Miután egyéves korában szülei elváltak, anyjával és anyai nagyszüleivel a bolíviai Cochabambába költöztek. Tízéves korában családja a perui fővárosban, Limában telepedett le. Középiskolai tanulmányait előbb egy limai katonaiskolában, majd egy piurai gimnáziumban végezte. Mindössze 16 éves volt, mikor első drámáját La huida del Inca címmel bemutatták. 1955-ben 19 évesen feleségül vette Julia Urquidit. 1955-1957 között irodalmat és jogot hallgatott a San Marcos Egyetemen. Tanulmányai mellett újságíróként dolgozott, és társszerkesztője volt a Literatura című irodalmi folyóiratnak. Egyetemi tanulmányait végül 1959-ben a spanyolországi Madridi Egyetemen fejezte be. Első novelláskötete, a Vezetők 1959-ben látott napvilágot. Mivel Peruban íróként szinte lehetetlen volt megélni, még ugyanebben az évben Franciaországba költözött. Párizsban spanyolt tanított, a France Presse és a francia rádió spanyol osztályának munkatársaként dolgozott.  Már első regénye, az 1962-ben megjelent, önéletrajzi ihletésű A város és a kutyák meghozta számára a széles körű nemzetközi elismerést. A regény cselekménye a perui társadalom válságos világát szimbolizáló limai katonaiskolában játszódik, ahol az erőszak és megalázás módszereire nevelik a fiatalokat. Vargas Llosa 1964-ben elvált első feleségétől, Juliától. Házasságuk történetét az 1977-ben megjelent Júlia néni és a tollnok című regényében dolgozta fel. A regényhez 1983-ban Julia Urquidi is megírta saját válaszát, mely Amit Varguitas nem mondott el címen jelent meg. Julia Urquidi 2010. március 10-én hunyt el. 

1965-ben feleségül vette Patricia Llosát. Két fiuk és egy lányuk született. A következő évben jelent meg második regénye, A zöld palota. A fordulatos meseszövésű regényben Llosa átfogó képet fest a perui társadalomról, és rávilágít a fehérek és az indiánok világa között tátongó szakadékra. Az 1960-as évek végétől különböző amerikai és európai egyetemeken tanított. 1967-ben Kölykök címen jelentette meg összegyűjtött novelláit. 1970-ben családjával Barcelonába költözött. Ebben az időben doktori disszertációján dolgozott, melynek témájául példaképét, Gabriel García Márquezt választotta. 1971-ben doktorált. Disszertációja könyv formájában is megjelent García Márquez: Historia de un deicidio címmel. 1973-ban jelent meg a Pantaleón és a hölgyvendégek című regénye, melyből 1976-ban saját maga rendezett filmet. 1975-ben Llosa visszatelepült Peruba. 1977-ben a Nemzetközi PEN Klub elnökévé választották. 1980-ban Japánba utazott, ahol különböző egyetemeken tanított. Hivatalos teendői ellenére sem csökkent azonban alkotókedve, és a nyolcvanas években is sorban jelentek meg kitűnő regényei (A háború végén, 1981; Mayta története, 1984; Ki ölte meg Palomino Molerót, 1986, A beszélő, 1987; Szeretem a mostohám, 1988). Az 1990-es perui elnökválasztások első számú esélyesének számított, de vereséget szenvedett az alig ismert, japán származású Alberto Fujimorival szemben. Az elnökválasztáson való részvételéről szóló keserű visszaemlékezéseit 1993-ban jelentette meg Egy hal a vízben címen. 1994-ben Vargas Llosa megkapta a spanyol állampolgárságot, 1996 óta a Spanyol Királyi Akadémia tagja. Újabb regényei közül 2000-ben látott napvilágot A kecske ünnepe, mely egy diktatúra hétköznapjairól fest borzongatóan eleven képet, majd három évvel később az Édenkert a sarkon túl. 2003-ban Vargas Llosa volt a Budapesti Nemzetközi Könyvfesztivál díszvendége és átvehette a Budapest Nagydíjat. 2010-ben adta ki A kelta álma című regényét és még abban az évben elnyerte az irodalmi Nobel-díjat. Az indoklás szerint Vargas Llosa a "hatalmi berendezkedések feltérképezéséért és az egyén ellenállását, lázadását, alulmaradását bemutató erőteljes ábrázolásmódért" érdemelte ki a díjat, azonban ezt több ország is kritizálta, köztük Kuba és Venezuela. 2011-ben irodalmi munkássága elismeréseként I. János Károly spanyol király őrgrófi címet adományozott neki.