A magyar történelemben fontos szerepet játszó Esterházy család fraknói grófi alágának leszármazottja. Nagyapja, Esterházy Móric 1917-ben rövid ideig miniszterelnök volt, édesapja, Esterházy Mátyás fordítóként dolgozott. Az író születése után nem sokkal a családot a Heves megyei Hortra telepítették ki. Az 1956-os forradalom után nagyapja elhagyta Magyarországot, ám az író szülei az itthon maradás mellett döntöttek. Az úgynevezett osztályharc ostoba és bántó megkülönböztetéseit főként az általános iskolában szenvedte el, majd a Budapesti Piarista Gimnáziumba kerülve egészen másfajta szemlélettel találkozott.
Érettségi után az ELTE matematika szakos hallgatója lett, 1974-ben Optimum Binary Search Trees címmel írta meg szakdolgozatát. A diploma megszerzése után a Kohó- és Gépipari Minisztérium Számítástechnikai Intézetében dolgozott számítástechnikai rendszerszervezőként, 1978-tól az írást tekintette főfoglalkozásának. Két első kötetében (Fancsikó és Pinta, Pápai vizeken ne kalózkodj) az újszerű, szokatlan nyelv mellett felhasználta a magyar irodalom anekdotikus hagyományait is.
Ebben az időben nagy feltűnést keltett nem mindennapi gesztusával: Ottlik Géza 70. születésnapjára az Iskola a határon című regényt kézírással egyetlen rajzlapra másolta le.
A nyolcvanas évek elejétől évente jelentek meg kisregényei – Függő, Ki szavatol a lady biztonságáért?, Fuharosok, Kis Magyar Pornográfia, Daisy, A szív segédigéi –, amelyek folyóiratokban megjelent szövegekkel kiegészítve, Bevezetés a szépirodalomba címmel egy könyvvé rendeződtek. 1987-ben nagy sikert aratott Csokonai Lili álnéven írt Tizenhét hattyúk című regénye, amelynek főhőse, Weöres Sándor Psychéjének modern utóda ékes 17. századi nyelven adta elő napjainkban játszódó szerelmi történetét.
1988-ban jelent meg irodalmi tanulmányainak első kötete A kitömött hattyú címmel, később publicisztikáiból több kötetet is összeállított. 1993-ban Szebeni András fotóművésszel közös könyve volt A vajszínű árnyalat.
Futballkönyvei (Utazás a tizenhatos mélyére, Semmi művészet) is nagy népszerűségnek örvendenek, utóbbit 2009-ben az év legjobb futballkönyvének választotta a Német Futballkultúra Akadémia.
2010-ben jelent meg Esti című kötete, amelyben Kosztolányi Dezső Esti Kornél-novelláit írta tovább „esterházyul”. 2013-ban publikálta Egyszerű történet vessző száz oldal című regényét, amely a 17. századba kalauzolja olvasóját. A művet 2014-ben Egyszerű történet vessző száz oldal – a Márk-változat címmel folytatta, az 1950-es évek Magyarországán játszódó családregényt tragikusabb, komolyabb hangvétel jellemzi, mint az előzményt. 2015-ben jelent meg Szüts Miklós festőművésszel közös kötete, A bűnös, valamint Az évek iszkolása című, Marianna D. Birnbaummal készült beszélgetős könyve. 2015 nyarán az ő szövegére készült el Eötvös Péter Halleluja című oratóriuma.
2015 októberében az Élet és Irodalomban a göteborgi könyvvásárra írt levelében nyilvánosságra hozta, hogy hasnyálmirigyrákja van.
Gannán temették el, az Esterházy-mauzóleumban, katolikus szertartás szerint Várszegi Asztrik pannonhalmi apát búcsúztatta.
Drámaíróként is jelentőset alkotott, színpadon is játszották Rubens és a nemeuklideszi asszonyok, Harminchárom változat Haydn-koponyára és Én vagyok a Te című darabjait. 2015-ben Mercedes Benz című történelmi revüjével nyílt meg Budapesten a Tesla Teátrum. Műveiből több film is készült (Idő van, Tiszta Amerika, Anna filmje, Érzékek iskolája).
Tagja volt a Széchenyi Irodalmi és Művészeti Akadémiának és a Berlini Művészeti Akadémiának. Elismerései közül kiemelkedik „a magyar prózát leleményesen és sokoldalúan megújító munkásságáért” kapott Kossuth-díj (1996), az Európai Irodalom Osztrák Állami Díja (1999), a Herder-díj (2002), a Német Könyvkereskedők Békedíja (2004), a Prima Primissima díj (2006), a Premio Mondello nemzetközi irodalmi díj (2013). 2009-ben Budapest díszpolgára lett.
2020-ban a Berlini Művészeti Akadémiára került irodalmi hagyatéka, az ebből létrehozott archívum közel ötven év írói munkásságának (1968–2016) kéziratos anyagát tartalmazza, benne a szerző összes művének kéziratát azok vázlataival és szövegvariánsaival együtt. 2022-ben megnyílt az Esterházy Péter és Gitta Könyvtár a Magyarországi Evangélikus Egyház országos központjának épületében. Az elmúlt évben bejelentették, hogy Rómaifürdőn található egykori otthonából alkotóházat hoznak létre.
Születésének 75. évfordulójára idén jelent meg a Vanni van. Válogatott elbeszélések című kötet, amely a vele készült, magyar nyelven publikált beszélgetésekből kínál válogatást: az első nyomtatásban megjelent interjútól (1982) az utolsóig (2016).
