Oğuz Atay, 12 Ekim 1934'te Kastamonu/İnebolu'da doğmuştur. Babası, VI., VII. dönem Sinop, VIII. dönem Kastamonu Milletvekilliği yapmış olan hukukçu Cemil Atay'dır. Annesi ise ilkokul öğretmeni Muazzez Zeki Hanım'dır. Anneannesi Melek Hanım, Yunanistan'da Fransız bir kızken dedesi Zeki Bey ile tanışıp İstanbul'a kaçmış, Müslüman olmuş ve üç kızını okutmaya önem vermiştir; annesi Muazzez Hanım da Cumhuriyet'in ilk çalışan kadınlarından biri olarak Edirne Muallim Mektebi'ni bitirmiştir.

Okul öncesi yılları Kastamonu ve İnebolu'da geçtikten sonra, babasının milletvekili seçilmesiyle 1939'da Ankara'ya taşınmışlardır. İlk, orta ve lise öğrenimini Ankara'da tamamlayan Atay, 1940'ta ilkokula başlamıştır. Küçük yaşlarda geçirdiği ağır bir hastalık tüm hayatını etkilemiştir.

TED Yenişehir Lisesi'ni birincilikle bitirmiştir. 1951 yılında girdiği İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) İnşaat Fakültesi'ni 1957'de bitirerek yüksek mühendis diploması almıştır. Mühendislik eğitimini kendi isteğinden çok babasının baskısıyla aldığını belirtmiş ve mesleğini pek sevmeden yaptığını ifade etmiştir. İleriki yıllarda bölümüyle ilgili Topografya isimli mesleki bir kitap yazmıştır. 1960 yılından 1976 yılı sonundaki hastalığına kadar İstanbul Devlet Mühendislik ve Mimarlık Akademisi (şimdiki Yıldız Teknik Üniversitesi) İnşaat Bölümü'nde öğretim üyesi olarak çalışmıştır. 1975'te doçent ünvanını almıştır.

1961 yılında Fikriye Gürbüz ile evlenmiş ve bu evlilikten Özge adında bir kızı olmuştur. 1967'deki boşanmasının ardından yalnız yaşamaya başlamıştır. 1968'de uzun yıllar aynı arkadaş grubunda yer aldığı Sevin Seydi ile ilişkisi başlamıştır. Atay, Tutunamayanlar ve Tehlikeli Oyunlar adlı romanlarını Seydi'ye ithaf etmiş, romanlarındaki kadın kahramanlar Günseli ve Bilge'yi ondan esinlenerek kurgulamıştır. Bu ilişki 1969'da bitmiş ve Tehlikeli Oyunlar'da Hikmet ile Bilge ilişkisini bu bağlamda ele almıştır. 1974'te Yeni Ortam gazetesinde sanat muhabiri olarak çalışan ve 1972 yılında Tutunamayanlar üzerine yaptıkları bir söyleşi sırasında tanıdığı Pakize Kutlu ile evlenmiştir.

Oğuz Atay, modern şehir yaşamı içinde bireyin yaşadığı yalnızlığı, toplumdan kopuşları ve toplumsal ahlaka, kalıplaşmış düşüncelere yabancılaşan, tutunamayan bireylerin iç dünyasını anlatır. Yapıtları eleştiri, mizah ve ironi barındırır. Ayrıntılara önem veren bir üslubu vardır. Atay, modernizmin toplumsal alandaki gelecek vaatlerinin, iki dünya savaşının yıkıntıları içinde kaybolduğunu ve makineleşen dünyada insanın kendine ve her şeye yabancılaştığını eserlerinde işlemiştir.

Kierkegaard, Nietzsche, Dostoyevski, Beckett, Ionesco, Unamuno, Pirandello, Kafka, Sartre, Camus gibi filozof ve yazarlardan etkilenmiştir. Türk edebiyatından Yusuf Atılgan, Kemal Tahir, Sabahattin Ali, Vüs'at Bener ve Ahmet Hamdi Tanpınar da etkilendiği yazarlardır.

Tutunamayanlar (1971): İlk romanı olup 1970 yılında TRT Roman Ödülü'nü kazanmıştır. Kitabın Yayımlanması için bir yıl beklemek ve çok sayıda yayıncı dolaşmak zorunda kalmıştır; roman 1971'de basılmıştır. Romanın konusu, modern şehir yaşamında bireyin yalnızlığı, toplumdan kopuşu ve "tutunamayan" bireylerin iç dünyasıdır.

Tehlikeli Oyunlar (1973): Tutunamayanlar'ın ardından yazılmış ikinci romanıdır. Roman, yazarın hayatında sıkıntılı ve bunalımlı bir dönemin ürünüdür; kurguya ve karakter kuruluşuna parçalanma hakimdir.

Bir Bilim Adamının Romanı (1974): Atay'ın teknik üniversiteden hocası olan Prof. Mustafa İnan'ın biyografik romanıdır. TÜBİTAK'ın bilim insanı yetişmesini özendirici bir proje kapsamında yazdırılmıştır.

Oyunlarla Yaşayanlar (1985): Atay'ın yazdığı dördüncü kitap olup bir tiyatro eseridir. "Oyun" kavramı bu eserde başlı başına bir tekniğe dönüşmüştür. Türk aydını ve toplum arasındaki çatışma ve çelişkiler konusunu ön plana çıkarır. Oyun, yazarın ölümünden sonra sahnelenmiştir.

Eylembilim (1998): Atay'ın tamamlayamadığı son romanıdır. 1960'tan 1976 sonuna kadar çalıştığı akademideki siyasi çalkantıları ve öğrenci olaylarını, üniversite, bilim ve bilim insanı kavramlarını ele almıştır.

1976 sonlarında hastalanan Atay'ın beyninde bir tümör olduğu anlaşıldı. Tedavi için İngiltere'ye gitti ancak bir yıl süren tedavi sonuç vermedi. 13 Aralık 1977'de İstanbul'da hayatını kaybetti. Edirnekapı Sakızağacı Mezarlığı'na defnedildi. 15 Aralık 1977'deki cenaze töreni çok kalabalık olmuştur. Kastamonu Valiliği, 2007 yılından beri kendisi adına Oğuz Atay Edebiyat Ödülleri vermektedir.