Ortaylı, 1965’te Ankara Atatürk Lisesi’nden mezun oldu.
1970’te Ankara Üniversitesi Siyasal Bilgiler Fakültesi’ni ve Ankara Üniversitesi Dil ve Tarih- Coğrafya Fakültesi’nin tarih bölümünü bitirdi. Halil İnalcık, Mümtaz Soysal, Seha Meray gibi kişilerin öğrencisi oldu. Viyana üniversitesi Slavistik ve Orientalistik Bölümü’nde eğitim gören İlber Ortaylı, yüksek lisans çalışmasını Chicago Üniversitesi’nde Halil İnalcık ile yaptı.
Ankara Siyasal Bilgiler Fakültesi’nde 1974 yılında doktor oldu. 1979 senesinde de “Osmanlı İmparatorluğunda Alman Nüfuzu” çalışmasıyla doçent oldu.
1982 tarihinde devletin akademik politikalarına tepki olarak istifa etti.
Bu dönemde Viyana, Berlin, Paris, Princeton, Moskova, Roma, Münih, Strazburg, Yanya, Sofya, Kiel, Cambridge, Oxford ve Tunus üniversitelerinde misafir öğretim üyeliği yaptı.
1989’da Türkiye’ye dönerek profesör oldu.
Yerli, ve yabancı dergilerde Osmanlı ve Rus tarihi ile ilgili makaleler yayınladı.
2002 senesinde Galatasaray Üniversitesi’ne, iki yıl sonra da Bilkent Üniversitesi’ne konuk öğretim üyesi seçildi.
2005 senesinde Topkapı Sarayı Müzesi başkanı oldu. 2012’de yaş haddinden emekli olan Ortaylı, görevi Ayasofya Müzesi başkanı Haluk Dursun’a devretti.
Birçok kitabı bulunan İlber Ortaylı, şu an Galatasaray Üniversitesi ve Bilkent Üniversitesi’nde Türk Hukuk Tarihi dersi vermektedir.