Mario Varga Llosa 16 éves volt, mikor első drámáját egy színház műsorára tűzte. 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 Los Jefes (Vezetők) 1959-ben látott napvilágot. Mivel Peruban íróként szinte lehetetlen volt megélni, Vargas Llosa 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 később az 1977-ben megjelent Júlia néni és a tollnok című regényében dolgozta fel. A regényhez 1983-ban Julia Urquidi is megírta saját válaszát, mely angolul My life with Mario Vargas Llosa (Életem Mario Vargas Llosával) címen látott napvilágot.
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 Llosa 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, a Gabriel García Márquez könyv formájában is napvilágot látott. 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 visszaemlékezései El pez en el agua (Egy hal a vízben) címen 1993-ban jelentette meg. Újabb regényei közül a 2000-ben napvilágot látott A kecske ünnepében egy diktatúra hétköznapjairól fest borzongatóan eleven képet. Legutóbbi kötete, az Édenkert a sarkon túl 2001-ben látott napvilágot.