1947. június 22-én született a kaliforniai Pasadenában szegény fekete szülők gyerekeként. Az apja cipőfényesítő volt, az anyja pedig szobalányként és takarítónőként dolgozott, akit Octavia gyerekként sokszor elkísért, és ekkor szembesült először az elnyomás jelenségével, ami később több regényének is meghatározó elemévé vált. A tudományos fantasztikummal fiatalon találkozott a helyi könyvtárban, ahova sokszor azért menekült, mert nem tudott beilleszkedni a többi gyerek közé.Az 1960-as évek végén egy kisebbségi íróknak szervezett workshopon az írása lenyűgözte az egyik tanárt, Harlan Ellisont, akinek bátorítására Butler beiratkozott a hathetes Clarion Science Fiction Writers Workshopba. Ott találkozott Samuel R. Delanyvel, akivel később nagyon jó barátokká váltak. Butler a workshop elvégzése után el tudta adni az első novelláit (a legelsőnek a jogait maga Ellison vette meg), és egyre több időt szentelt az írásnak. Sikerét jól illusztrálja, hogy az első, Patternist című sorozatát követően 1978-tól csak az írásból élt. Butlernek 2006. február 24-én bekövetkezett haláláig több mint tíz regénye és két novelláskötete jelent meg, a történeteit számos magazin és antológia közölte. 1984-ben legjobb novella, 1985-ben pedig legjobb kisregény kategóriában is kitüntették a Hugo-díjjal, ezen kívül kétszer kapott Nebula-, egyszer Locus-díjat. A műveinek központi témái a társadalmi berendezkedések kritikája, az emberi test fejlesztése génmanipulációval, különféle mutációkkal és az idegenekkel való kapcsolatfelvétel által, valamint az afrofuturizmus.Leghíresebb regényei a Hajnallal kezdődő Xenogenezis-trilógia, illetve a Kindred és a Földmag-duológia.