Babası, VI., VII dönem Sinop, VIII. Dönem Kastamonu Milletvekilliği yapan Cemil Atay'dır. 1951'de bugünkü adı Ankara Koleji olan Ankara Maarif Koleji'ni, 1957'de de İTÜ İnşaat Fakültesi'ni bitirdi. Üç yıl sonra İstanbul Devlet Mühendislik ve Mimarlık Akademisi (şimdiki Yıldız Teknik Üniversitesi) İnşaat Bölümü'nde öğretim üyesi oldu. 1975'te doçent olan Atay, Topografya adlı bir de mesleki kitap yazdı. Çeşitli dergi ve gazetelerde makale ve söyleşileri yayınlandı. Oğuz Atay, Tutunamayanlar'ın 1971-72'de yayınlanmasından sonra, önemli bir tartışmanın odak noktası oldu. Bu romanıyla 1970 TRT Roman Ödülü'nü kazandı.
Türk edebiyatının en önemli eserlerinden biri olan Tutunamayanlar, eleştirmen Berna Moran tarafından, "hem söyledikleri hem de söyleyiş biçimiyle bir başkaldırı" olarak nitelendirilmiştir. Moran'a göre Tutunamayanlar'daki edebi yetkinlik, Türk romanını çağdaş roman anlayışıyla aynı hizaya getirmiş ve ona çok şey kazandırmıştır.
Atay'ın büyük etki yaratan eseri Tutunamayanlar'ı 1973'te yayınladığı Tehlikeli Oyunlar adlı ikinci romanı izlemiştir. Hikâyelerini Korkuyu Beklerken başlığı altında toplayan Atay, 1911-1967 yılları arasında yaşamış Prof. Mustafa İnan'ın hayatı konu eden Bir Bilim Adamının Romanı'nı 1975 yılında yayımlamıştır. 1973 yılında yayımlanan Oyunlarla Yaşayanlar adlı oyunu Devlet Tiyatrosu'nda sahnelenmiştir. Atay, beyninde çıkan bir tümör nedeniyle büyük projesi "Türkiye'nin Ruhu"nu yazamadan 13 Aralık 1977'de, İstanbul'da hayatını kaybetmiştir. Edirnekapı Sakızağacı Mezarlığı'na defnedildi.
Öldükten sonra 1987'de Günlük, 1998'de ise Eylembilim adlı kitapları yayımlanmıştır. Sağlığında hiçbir kitabı ikinci baskı bile yapamayan Atay'ın kitapları ölümünden sonra büyük ilgi gördü ve defalarca basıldı. Yıldız Ecevit'in hazırladığı Oğuz Atay biyografisi "Ben Buradayım..." - Oğuz Atay'ın Biyografik ve Kurmaca Dünyası 2005 yılında yayınlandı.
Tehlikeli Oyunlar romanı, 2009 yılında Seyyar Sahne tarafından aynı adla tiyatro oyunu olarak uyarlanarak sahnelenmeye başlanmış ve hâlen sahnelenmektedir. Bir Bilim Adamının Romanı adlı biyografik eseri de 2012 yılında Bir Bilim Adamının Oyunu: Mustafa İnan adıyla Te Sahne tarafından tiyatroya uyarlanarak sahnelenmeye başlanmıştır.
Eserlerinde düşle gerçeğin birbirine karışması, üstkurmacanın kurgunun ana ilkesi olması Oğuz Atay’ı postmodernist roman kategorisinde eser veren ilk yazar yapmıştır. Oğuz Atay, özellikle Tutunamayanlar romanında, 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. Kastamonu Valiliği kendisi adına 2007 yılından beri Oğuz Atay Edebiyat ödülleri vermektedir.
