İlber Ortaylı, 21 Mayıs 1947 tarihinde Avusturya Bregenz’de bir göçmen kampında Kırım Tatarı bir ailenin çocuğu olarak doğmuştur. Annesi Şefika Hanım, babası Kemal Ortaylı’dır. 1949 yılında 2 yaşındayken ailesiyle birlikte İstanbul’a taşındılar. Sonra taşındıkları Ankara’da etlik ilkokulunda okudu. Almanca öğrenmesi için kaydettirildiği İstanbul Avusturya Lisesi'nde hazırlık ve ortaokul birinci sınıfı okuduktan sonra Ankara Atatürk Lisesi'ne geçti. Atatürk Lisesi'nden 1965 yılında mezun oldu. Annesi, Dil ve Tarih Coğrafya Fakültesi Rus Dili ve Edebiyatı Bölümü'nde görev alan İlber Ortaylı, Rusça'yı, Rusya tarihini ve edebiyatını annesinden öğrendi.
Ankara Üniversitesi Siyasal Bilgiler Fakültesi (1969) ile Ankara Üniversitesi Dil Tarih Coğrafya Fakültesi Tarih Bölümü’nü bitirdi. Viyana Üniversitesi Slavistik ve Orientalistik Bölümü'nde öğrenim gördü. Chicago Üniversitesi’nde master çalışmasını Prof. Halil İnalcık ile yaptı. “Tanzimat Sonrası Mahalli İdareler” adlı tezi ile 1974 yılında doktor, “Osmanlı İmparatorluğu’nda Alman Nüfuzu” adlı çalışmasıyla 1979 yılında doçent oldu. 1982 yılında devletin akademik politikalarına tepki olarak görevinden istifa etti.
Viyana, Berlin, Paris, Princeton, Moskova’da misafir profesör olarak ders verdi, Roma, Sofya, Cambridge, Oxford ve Tunus üniversitelerinde seminerler ve konferanslar verdi. Yerli ve yabancı bilimsel dergilerde Osmanlı tarihinin 16. ve 19. yüzyılı ve Rusya tarihiye ilgili makaleler yayınladı. 1989'da Türkiye'ye dönerek profesör oldu.
1989-2002 yılları arasında Siyasal Bilgiler Fakültesi’nde İdare Tarihi Bilim Dalı Başkanı olarak görev yapmış, 2002 yılında Galatasaray Üniversitesi Hukuk Fakültesi Hukuk Tarihi anabilim dalı başkanı olmuştur. İki yıl sonra da Bilkent Üniversitesi'ne konuk öğretim üyesi olarak görev yaptı. Galatasaray Üniversitesi Senato üyesidir. Ayrıca İlke Eğitim ve Sağlık Vakfı Kapadokya Meslek Yüksekokulu Mütevelli Heyeti üyesidir.
2004 yılında TRT 2'de başlayıp TRT Türk'te hafta sonları yayınlanan "İlber Ortaylı ile" adlı belgeseli sundu.
2009 Yılında NTV'de “İlber Ortaylı ile Tarih Dersleri” adlı bir program yaptı. 2011 yılında Bloomberg HT kanalında da "İlber Ortaylı ile Zaman Kaybolmaz" adlı bir program yaptı.
Topkapı Sarayı Müzesi’nin 2005-2012 yılları arasında başkanlığını yaptı. 2012 yılında yaş haddinden emekli oldu. Halen Milli Saraylar Bilim Kurulu Başkanı’dır.
Kendisiyle İngilizce, Fransızca, Almanca, Rusça ve İtalyanca yazışma yapılabilir.
İlber Ortaylı, Uluslararası Osmanlı Etüdleri Komitesi Başkan yardımcısı ve Avrupa İran Tetkikleri Cemiyeti üyesidir.
İlber Ortaylı; Türkçe; ileri seviyede Almanca, Fransızca, İngilizce, İtalyanca ve Rusça; orta seviyede Kırım Tatarca, Slovakça, Romence, Arapça, Farsça, Latince, İbranice, Antik Yunanca ve Yunanca bilmektedir.
5 Kasım 2012 - 11 Mart 2013 tarihleri arasında gazeteci-yazar Mehmet Barlas ile beraber "Her Zaman" isimli bir tarih programı yaptı.
İlber Ortaylı, 1981 yılında Ayşe Özdolay ile evlendi. Tuna adında bir kızı vardır. 1999 yılında boşandı.
2017 yılında Cumhurbaşkanlığı Kültür ve Sanat Büyük Ödülüne layık görüldü.
Hâlen Doğu Batı ve NTV Tarih dergilerinin danışma kurulu üyesidir. İlber Ortaylı, Milliyet Sanat dergisine verdiği bir mülakatta, kitaplığında 30.000 civarında kitabı olduğunu ve bunların 5.000'ini Galatasaray Üniversitesine bağışladığını ifade etmiştir.
