A II. világháború kitörése után három nappal, 1939. szeptember 4-én született Budapesten Merényi Péter néven. A háború meghatározta sorsát, hiszen apja, Merényi Endre mérnök, amatőr fotós 1943-ban munkaszolgálatban halt meg. Vezetéknevét későbbi nevelőapjától, Lengyel Sándor vegyésztől kapta, aki örökbe fogadta. Iskoláit Veszprémben és Budapesten végezte, az óbudai Árpád Gimnáziumban érettségizett. Még diákként Hemingwayt fordított, s tizennyolc évesen elkészült első novellája. Munkáját Ottlik Gézának mutatta meg, aki így biztatta az írásra: „Próbáld meg!” Kapcsolatuk az évek során egyre mélyebbé, barátibbá vált, Ottlikot mesterének is vallotta, később a hagyatékának gondozója lett.
1957 és 1962 között az ELTE spanyol–olasz szakán tanult, közben fordításokat vállalt, nyelvet tanított, utazott, 1960-62-ben a Madách Színház dramaturgja volt. A diploma megszerzése után egy évig Havannában volt egyetemi lektor, hazatérése után egy ideig a Magyar Írószövetség, az Élet és Irodalom, a Mozgó Világ munkatársa, fordít, tanít, tolmácsol, díjat nyert a Nemzetközi PEN Club és a Nemzetközi Írói Alap regionális pályázatán.
1965-ben publikálta első írását, a Nyár című novellát. Két évvel később megjelent első novelláskötete, a Két sötétedés. 1969-ben az irodalom más tájaira kalandozott, Ogg második bolygója címmel tudományos-fantasztikus regényt írt, amely később német, japán, cseh és lengyel nyelven is megjelent. Tizenhárom évig, 1975 és 1988 között a Nagykörút és a Dohány utca sarkán működő villanyújság (egy ház falán híreket közvetítő felület) szerkesztőségében, ezt követően az Iowai Egyetem Nemzetközi Íróprogramjának meghívására egy szemeszteren keresztül Amerikában dolgozott. A rendszerváltás után az ELTE Esztétika Tanszékén Írói Műhelyt hozott létre, ahol három évig kreatív írást tanított, azóta szabadúszó író.
Csaknem egy évtizedig írta első jelentős regényét, az 1978-ban megjelent Cseréptörés címűt, amelynek hőse a háborúban elpusztult, soha nem ismert apa életének töredékeit kutatja fel, és ezáltal reflektál saját életére is. A Cseréptörés írása közben készült el az ötvenes-hatvanas évek fordulóján játszódó Mellékszereplők című regényével, amelyet azonnal be is tiltottak, és csak 1980-ban engedtek publikálni. 1988-ban jelent meg Rondó című elbeszéléskötete, és ugyanebben az évben látott napvilágot mindmáig talán legnépszerűbb, legsikeresebb műve, a Macskakő című detektívregénye, amely mesteri módon elegyíti a ponyvaregények fordulatait és a szerző-narrátor filozófiai fejtegetéseit. A mű cselekménye is szimultán játszódik, egyrészt a 19. század végének Budapestjén, másrészt a regény keletkezésekor, a nyolcvanas években.
1992-ben jelent meg a napló és az esszé összeillesztéséből alkotott Holnapelőtt című könyve, műfaji meghatározása szerint nem-regény, amely az 1989-1991 közé eső esztendők privát történelmét mondja el. Különös kísérlet a Búcsú két szólamban című könyve, amelyben „szerzőtársa” édesapja, Merényi Endre volt, az ő harmincas-negyvenes években készített fényképei mellett az író 1950. augusztus 20-ról készült prózája olvasható. Egyébként, ahogy azt egy interjúban Lengyel Péter elmondta, a könyvei borítójára is mindig az apja által készített fényképeket tesz.
Az írás mellett Lengyel sokat fordít, többek között Hemingway, Salinger, Faulkner, Raymond Chandler, Pirandello és Moravia műveit ültette át magyarra. 1993-ban sajtó alá rendezte elhunyt barátja, Ottlik Géza posztumusz regényét, a Budát.
Első felesége volt Takács Zsuzsa Kossuth-díjas költő, akitől két lánya született, egyikük Lengyel Anna dramaturg, műfordító (1969-2021). Második felesége Zsolt Angéla klasszika-filológus, szerkesztő.
Munkásságát 1983-ban József Attila-díjjal, 1990-ben Pro Urbe Budapest díjjal, 1992-ben Déry Tibor-jutalommal, 1995-ben Füst Milán-díjjal, 1999-ben Márai Sándor-díjjal jutalmazták. 2010-ben a magyar próza fellendülésében jelentős szerepet játszó regényeiért és novelláiért Kossuth-díjjal tüntették ki. Alapító tagja az 1997-ben létrejött Szépírók Társaságának, 2017-ben az MTA Széchenyi Irodalmi és Művészeti Akadémia, 2018-ban pedig a Digitális Irodalmi Akadémia tagja lett.
