Gdy się urodził, jego rodzice byli już w separacji. Swojego ojca Mario poznał dopiero 10 lat później. Postać autorytarnego rodzica znaleźć można na kartach jego powieści. Dzieciństwo przyszłego pisarza upłynęło między Boliwią, peruwiańską Piurą i Limą. Ojciec nalegał, aby Llosa ukończył wojskową szkołę imienia Leoncia Prady. Dwa lata spędzone w szkole zaowocowały debiutancką powieścią "Miasto i psy".

W 1953 roku Mario Vargas Llosa rozpoczął studia na Uniwersytecie San Marcos. Wbrew woli ojca wybrał prawo i filologię. Na studiach utrzymywał się samodzielnie - pracował m.in. w rozgłośni radiowej, próbował zarabiać piórem, ale także spisywał na zlecenie nazwiska z grobów na cmentarzu. Jego ślub z Julią Urquidi, byłą żoną jednego z wujów wywołała rodzinny skandal. W tym samym czasie ukazały się w prasie pierwsze opowiadania Vargasa Llosy, a pisarz zaczął pracować jako dziennikarz.

Właściwą karierę literacką Llosy zainaugurował tom opowiadań "Wyzwanie" wydany w 1959 roku. W roku 1963 Llosa ogłosił swą pierwszą powieść "Miasto i psy", która przyniosła mu uznanie. Publikacje kolejnych powieści ("Zielony dom" - 1966, "Rozmowa w Katedrze" - 1969, "Pantaleon i wizytantki" - 1973, "Ciotka Julia i skryba" - 1977) oraz liczne i prestiżowe wyróżnienia (nagroda Romula Gallegosa, stanowisko przewodniczącego w Pen Club International) ugruntowały jego pozycję. Stał się jednym z najbardziej rozpoznawalnych pisarzy latynoamerykańskich. W 1994 roku otrzymał Nagrodę Cervantesa - najwyższe możliwe trofeum w świecie literatury hiszpańskojęzycznym.

Llosa angażował się w politykę. W czasie stanu wojennego w Polsce pikietował ambasadę polską w Limie. Swojemu polskiemu tłumaczowi kupił buty, gdy u nas w kraju były one na kartki. W 1983 roku przewodniczył komisji badającej sprawę zabójstwa ośmiu reporterów. W 1987 roku stanął na czele Ruchu Wolność (Movimiento Libertad), ugrupowania opozycyjnego wobec prezydenta Alana Garcii Pereza. W 1990 roku wystartował w wyborach prezydenckich, przegrał jednak z kontrkandydatem Alberto Fujimorim, którego prezydentura miała się okazać jednym z mroczniejszych okresów w najnowszej historii Peru.

Polityczna porażka Vargasa Llosy wyszła jednak na dobre jego literackiej karierze. W 1981 roku ukazała się "Wojna końca świata" - wielka epopeja historyczna, w 1984 - "Historia Alejandra Mayty", potem powieść erotyczna "Pochwała macochy" (1988) i "Gawędziarz" (1987). Rok 1993 przyniósł natomiast "Litumę w Andach", potem ukazały się "Zeszyty don Rigoberta" (1997) oraz "Święto kozła" (2000). Trzy lata później pisarz wydał "Raj tuż za rogiem", a w roku 2006 ukazała się jego najnowsza powieść "Szelmostwa niegrzecznej dziewczynki".