Kırım Tatar kökenli uçak mühendisi Kemal Ortaylı ile Şefika Ortaylı'nın çocuğu olan yazar, Avusturya'nın Bregenz kentinde 21 Mayıs 1947'de dünyaya geldi.
Unutulmaz tarihçinin annesi, uzun yıllar Ankara Üniversitesi Dil ve Tarih-Coğrafya Fakültesi (DTCF) Rus Dili ve Edebiyatı bölümünde hocalık yaptı.
Türkçe, Almanca ve Rusça'nın konuşulduğu çok dilli bir aile ortamında büyüyen yazar, küçük yaşlarından itibaren ileri seviyede Almanca, Fransızca, İngilizce, Rusça, orta seviyede Arapça, Farsça, Latince, İbranice, Sırpça ve Yunanca dillerini öğrendi.
İlber Ortaylı İkinci Dünya Savaşı sonrası, ailesiyle Türkiye'ye göç etti.
İlk ve orta öğrenimini İstanbul Avusturya Lisesi'nde, lise eğitimini ise 1965'te Ankara Atatürk Lisesi'nde tamamlayan tarihçi, Ankara Üniversitesi Dil ve Tarih Coğrafya Fakültesi (DTCF) Yeniçağ Tarihi Bölümü'nden 1970'te mezun oldu. Ortaylı, üniversitede Halil İnalcık ve Şerif Mardin gibi alanında önemli akademisyenlerin öğrencisi oldu.
Ortaylı, Viyana Üniversitesinde Slav ve Doğu Avrupa dilleri alanında da öğrenim gördü. Yüksek lisans çalışmasını Chicago Üniversitesinde Halil İnalcık danışmanlığında tamamladı.
Ankara Üniversitesi Siyasal Bilgiler Fakültesi'nde (SBF) 1973’te asistan olarak göreve başlayan usta edebiyatçı, "Tanzimat Sonrası Mahalli İdareler" başlıklı tezi ile doktor ünvanını, "Osmanlı İmparatorluğu'nda Alman Nüfuzu" çalışmasıyla 1979'da doçent, 1989'da ise profesör ünvanını aldı.
Ortaylı, Ankara Üniversitesi'nden 1983'te ayrılarak, Paris’te Ecole des Hauters Etudes, Berlin Feri Üniversitesi ve Princetion Üniversitesi’nde, Viyana, Moskova, Roma, Münih, Strasbourg, Yanya, Sofya, Kiel, Cambridge, Oxford ve Tunus üniversitelerinde misafir öğretim üyeliği yaptı, seminerler ve konferanslar verdi. Yerli ve yabancı bilimsel dergilerde 16 ila 19. yüzyıl Osmanlı tarihi ve Rusya tarihi ile ilgili makaleler yayınladı.
ODTÜ’de 1988'de bir süre doçent olarak görev yapan başarılı tarihçi, aynı yıl SBF’deki görevine geri döndü. Ortaylı, 1989-2002 yıllarında Ankara Üniversitesi SBF İdare Tarihi Bilim Dalı Başkanı olarak görev yaptı.
Galatasaray Üniversitesinde 2002'de konuk öğretim üyesi olarak görev yapan yazar, daha sonra Bilkent Üniversitesinde de konuk öğretim üyeliği yaptı.