Nacido el 17 de marzo de 1935 en Barcelona, Luis Goytisolo Gay provenía de una familia de intelectuales y artistas. Su padre fue el científico José María Goytisolo Taltavull y su madre, Julia Gay, murió víctima de un bombardeo sobre Barcelona en 1938 durante la Guerra Civil española. Fue hermano del poeta José Agustín Goytisolo, fallecido en 1999, y del escritor Juan Goytisolo, quien murió en 2017. Su hermano mayor, Antonio, falleció de meningitis en 1927 a los pocos años de edad.

Goytisolo inició sus estudios de Derecho en Barcelona en 1953, carrera que completó en 1958. Ese mismo año, recién licenciado, obtuvo el Premio Biblioteca Breve con su novela Las afueras, obra que marcó el inicio de su trayectoria literaria. Le siguió Las mismas palabras en 1962, consolidando su presencia en el panorama literario español.

Su obra más ambiciosa fue la tetralogía Antagonía, dedicada a su esposa María Antonia Gil Moreno de Mora, que le demandó varios años de trabajo. El primer volumen, Recuento, se publicó en 1973. La serie continuó con Los verdes de mayo hasta el mar en 1976, que ganó el Premio Ciudad de Barcelona; La cólera de Aquiles en 1979, y Teoría del conocimiento en 1981. Esta tetralogía, según el jurado del Premio Nacional de las Letras, "supone un hito en la reciente historia de la novela española al aunar historia, narración y reflexión literaria" y fue reconocida internacionalmente.

Durante los años ochenta, Goytisolo publicó varias novelas que ampliaron su reconocimiento crítico. Estela del fuego que se aleja, publicada en 1984, obtuvo el Premio de la Crítica en 1985. Continuó con La paradoja del ave migratoria en 1987 y Fábulas en 1988. En 1992 publicó Estatua con palomas, novela que ganó el Premio Nacional de Narrativa y en la que el autor jugaba con el tiempo, la Roma de Trajano y la España actual. Esta obra fue determinante en su pensamiento, pues a raíz de su elaboración concibió la creación de la Fundación Luis Goytisolo para el estudio de la narrativa hispánica contemporánea, con sede en El Puerto de Santa María, Cádiz, que desde 2003 celebra anualmente un Simposio Internacional de Narrativa Hispánica Contemporánea.

Goytisolo fue colaborador habitual del diario El País durante décadas. En los años noventa relevó al fallecido Carlos Barral en la dirección de la revista literaria Letra Internacional. En 1993 escribió sobre su recorrido por trece países ribereños del Índico, trabajo que fue premiado como mejor libro de viajes por la revista Delibros y que dio lugar a una exitosa serie documental de televisión. En 1998 se emitió la segunda parte de su serie Índico, nacida de reportajes para El País, y posteriormente realizó la serie para TVE Mediterráneo en 2000.

Fue elegido académico de la Real Academia de la Lengua Española en 1994 para ocupar la vacante del poeta Luis Rosales, en el sillón C. Ingresó en la institución en 1995 con un discurso en defensa de la autonomía del lenguaje frente a la influencia de la imagen. Durante su permanencia en la RAE, participó activamente en los trabajos de la corporación hasta su fallecimiento.

En los años posteriores a su ingreso en la RAE, Goytisolo continuó su producción literaria con obras como Escalera hacia el cielo en 1999, Diario de 360 grados en 2000, El porvenir de la palabra en 2002, la novela Liberación en 2003, y Fábulas en 2004, un conjunto de anotaciones, aforismos y juegos de palabras. También publicó Tres comedias ejemplares en 2005, compendio formado por Mzungo de 1996, Placer licuante de 1997 y Escalera hacia el cielo de 1999.

Su producción continuó en las décadas siguientes con títulos como Oído atento a los pájaros en 2006, Cosas que pasan en 2009, una evocación de infancia y juventud, y El lago en las pupilas en 2012. En una entrevista con ocasión de la publicación de este último, Goytisolo afirmó: "Calculo que cada dos o tres años se me ocurre una idea para una novela", y reconoció que nunca se consideró un autor de gran público. "Nunca me lo he propuesto, aunque hice pruebas de novelas más fáciles, que me entretuvieran a mí mismo, como Mzungo o Placer licuante, que fue un éxito extraordinario", explicó.

En 2013, Goytisolo ganó el Premio Anagrama de Ensayo con su obra Naturaleza de la novela. Ese mismo año recibió el Premio Nacional de las Letras, en reconocimiento a toda su obra literaria. El jurado justificó el galardón destacando "la obra narrativa de Luis Goytisolo, siempre comprometida con la búsqueda de nuevos territorios literarios".

En 2014, cuando su hermano Juan Goytisolo obtuvo el Premio Cervantes, el galardón más importante de las Letras españolas, Luis Goytisolo también estaba nominado. En esa ocasión, dijo del premiado: "Mi hermano Juan se lo merece y, por cuestión de edad, se lo tenían que dar antes a él. Pasó también con el Nacional de las Letras, que Juan lo ganó en 2008 y yo en 2013". En una entrevista de 2014 con motivo de la publicación de Cosas que pasan, Goytisolo reconoció su militancia en el Partido Comunista de España (PCE) a finales de los años cincuenta, aclarando que nunca creyó en el marxismo y que se hizo militante comunista para "combatir el franquismo", lo que le llevó a una estancia de cuatro meses en la prisión de Carabanchel.

En 2015, Goytisolo vendió parte de su archivo personal a la Biblioteca Nacional, una serie de documentos representativos de su trayectoria como novelista, ensayista y articulista, almacenados en 57 cajas. En mayo de 2016 presentó en Barcelona El atasco y demás fábulas, una recopilación de las fábulas escritas a lo largo de cuarenta años. En esa presentación, comentó: "El mundo es difícil y disparatado y lo más sorprendente es que en la primera fábula, escrita en pleno franquismo, eso ya se reflejaba".

El 1 de noviembre de 2018, Goytisolo recibió de manos del entonces presidente de México, Enrique Peña Nieto, el Premio Carlos Fuentes a la Creación Literaria en el Idioma Español. Entre sus últimos títulos publicados figuran Coincidencias en 2017 y Chispas en 2019, obra en la que presenta textos breves sobre la sociedad actual con presencia del humor.

La Real Academia Española anunció el fallecimiento de Goytisolo 24 horas después de su muerte, el 14 de julio de 2026, a través de un comunicado oficial en el que lamentó la pérdida de su académico de número, miembro de la corporación desde 1995. Su muerte cierra un capítulo importante en la literatura española contemporánea, dejando un legado de experimentación narrativa y reflexión literaria que ha influido en generaciones de escritores hispanohablantes.