Mario Vargas Llosa er født i Arequipa i Peru i 1936. Kort efter hans fødsel blev forældrene Ernesto Vargas Maldonado og Dora Llosa Ureta skilt pga. en affære, hans far havde med en tysk kvinde. Llosa boede med sin mors familie, som introducerede ham for litteraturen. Mødet revolutionerede hans verden og blev afgørende for hans litterære vækkelse. Forældrene fandt sammen igen, da Llosa var ti år, og for at forhindre den spirende forfatter i ham i at udvikle sig, blev han som fjortenårig af sin far sendt på militærakademiet Leoncio Prado i Lima. Llosa forlod akademiet før sin eksamen og studerede færdigt i Puira, mens han arbejdede som journalist.
I 1953-1958 læste han jura og litteratur på Universidad Nacional Mayor de San Marcos, og i 1957 udgav han sine første noveller. I 1958 modtog han et stipendium til at studere ved Universidad Complutense de Madrid, og da hans stipendium udløb i 1960, flyttede han til Paris – en afgørende periode for hans forfatterskab, fortæller han: ”Da jeg boede i Peru i 1950’erne og 1960’erne, anede jeg ikke noget om, hvad der foregik i Ecuador, Chile, Argentina. […] Det var først i Frankrig, at jeg mødte mine kolleger hjemmefra og opdagede, at vi havde et fællestræk i måden, vi beskrev den menneskelige natur på. Vi var åbenbart på samme tid begyndt at skrive ambitiøse bøger, der omfavnede ikke kun det lokale liv i Latinamerika, men som havde bud til en langt større verden.” (Michael B. Henriksen: Sydamerikansk forfatter: Vi blev sårbare, da vi skiftede bogstaver ud med billeder. Kristeligt Dagblad, 2019-06-22).
Han har giftet sig to gange: i 1955 med den ti år ældre Julia Urquidi og i 1965 med sin kusine Patricia Llosa, som han har tre børn med. Siden 2015 har han været i et forhold med spansk-filippinske Isabel Preysler.
Ud over at være forfatter er Llosa journalist og professor, og han har været politisk aktiv hele sin karriere og med tiden bevæget sig fra venstre mod højre. I 1990 forsøgte han uden held at blive Perus præsident, og af forargelse over at blive fravalgt af det peruanske folk flyttede han til Spanien, hvor han fik statsborgerskab. I dag bor han i Madrid, er medlem af Det Spanske Akademi og skriver fast for avisen El País. Han modtog i 2010 Nobelprisen i litteratur.