東京都生まれ。中学高校時代は父の転勤で名古屋に住む。1980年東京外国語大学外国語学部ロシア語学科卒業。NHK国際局に入局。1983年にNHKを退職し夫・充義の留学先である米国に渡る。ハーバード大学で約2年間日本語を教える。1985年に帰国し東京大学大学院総合文化研究科比較文学比較文化専攻修士課程に入学。東大在学中に夫の留学先であるポーランドに渡りワルシャワ大学で日本語を教える。1989年、東京大学大学院総合文化研究科修士課程修了。東京大学博士課程へ進学し、1992年に同博士課程単位取得退学。立教大学、上智大学、東京外国語大学、慶應義塾大学非常勤講師を経て、2008年10月より東京外国語大学外国語学部教授（大学院重点化に伴う組織改編のため2009年4月より、同総合国際学研究院（言語文化部門・文化研究系）教授）。日本滞在経験があり、「悪人」をもじって筆名をつけたボリス・アクーニンの推理小説を何冊か翻訳している。2007年春からNHK教育テレビロシア語会話講師。2009年秋からは後継番組のテレビでロシア語の講師を務める。夫の沼野充義との間に1子。趣味はピアノ。「テレビでロシア語」（2009年12月23日放送、12月30日・翌年6月25日・26日再放送）の後半で、プーシキン作詞・グリンカ作曲の有名な恋愛歌「***に」を、歌手デニス・ビシュニャ(Денис Вишня)の歌、沼野恭子のピアノ伴奏で演奏した。
イングランドノーフォークの商業都市イースト・ディアラムに生まれる。祖父と父は百貨店を経営していた。6歳の時にデヴォンの寄宿者学校ウェストバックランドスクールに入学。15歳以後は『アスタウンディング』誌の熱心な読者となった。1943年に陸軍に応召され、ロイヤル・シグナルズ連隊に所属して1946年までビルマなど東南アジアで過ごす。戦後にアジア、ヨーロッパを旅行し、1948年に帰国、オックスフォードの書店に就職し、10年間勤める。書店の業界誌『ブックセラー』に、架空の書店を舞台にしたユーモア小説を連載し、これは1955年に『ブライトファウント日記』として出版された。1954年にSF専門誌『サイエンス・ファンタジー』9号に最初のSF小説「犯罪記録」(Criminal Record)が掲載される。1955年にオブザーバー紙の未来小説コンテストに応募した「時代ずれ」(Not for an Age)が第一席入選。この後短編小説を発表し続け、1957年にSF短編集『Space, Time and Nathaniel』を出版し、作家専業となり、1958年に最初の長篇SF『寄港地のない船』を出版。同年ヒューゴー賞新人作家賞受賞。1960年には英国SF作家協会の代表に就任。1962年にHothouseシリーズ（『地球の長い午後』）でヒューゴー賞受賞。その後も数々の賞を受賞し、イギリスを代表するSF作家の一人となる。1969年に言語実験を用いた長編『はだしの頭』を発表後2年間、SFから遠ざかり普通小説を執筆。自伝的作品であるホレイショ・スタッブスシリーズの『手で育てられた少年』『兵士は立てり』はその性描写で関心を集めてベストセラーとなった。1960年代には、オックスフォード・メール新聞の文学編集も務めた。1964年にはハリー・ハリスンとともにSF評論誌『Science Fiction Horizons』を出版開始、第1号ではジェイムズ・ブリッシュとオールディスの対談の他、C.S.ルイス、キングズリー・エイミスなどを取り上げ、2号ではW.S.バロウズへのインタビューを掲載した。マイクル・ムアコックは『ニュー・ワールズ』誌で、提唱するニュー・ウェーブの先行作家としてバラードとオールディスを挙げ、『世界Aの報告書』など多くの作品を掲載した。作家活動のほかにアンソロジー編集でも成功を収めた。SF入門用にテーマ別の作品を集めた Introducing SF というアンソロジーのシリーズや、Best Fantasy Stories といったアンソロジーがある。1961年にイギリスの出版社ペンギン・ブックスから出版した Penguin Science Fiction というアンソロジーが大成功を収め、More Penguin Science Fiction (1963) と Yet More Penguin Science Fiction (1964) も出版された。いずれも成功を収め、この3冊をまとめた The Penguin Science Fiction Omnibus (1973) も何度も版を重ねることになった。1970年代には古典SFのアンソロジーシリーズとして Space Opera (1974)、Space Odysseys (1975)、Galactic Empires (1976)、Evil Earths (1976)、Perilous Planets (1978) を出版し、これまた成功を収めた。同時期にパルプ・マガジンなどのイラストを集めた Science Fiction Art (1975) という画集も編集している。1960年代から1970年代の宇宙探査機によって、金星がジャングルの惑星などではなく灼熱の惑星であることが判明すると、ハリー・ハリスンと共同で Farewell, Fantastic Venus! というアンソロジーを編集している。ハリー・ハリスンとは他に The Year's Best Science Fiction を一時期毎年編集し出版していた。1973年にSF史『十億年の宴SF―その起源と発達』を発表。1976年『マラキア・タペストリー』は完成された形式とスタイルで代表作の一つとされる。1982年にスタンリー・キューブリックから、1969年発表の短編「スーパートイズ」の映画化を打診され、脚本作りに取りかかるが、難航したままキューブリックが1999年に死去。キューブリックから映画化権を引き継いでいたスティーヴン・スピルバーグと、続編の「冬きたりなば」「季節めぐりて」を含めて映画化で合意し、2001年に『A.I.』として公開された。2005年には『ブラザーズ・オブ・ザ・ヘッド』が映画化された。2000年にアメリカSFファンタジー作家協会からグランド・マスター賞を贈られる。2005年に、これまでの文学への貢献により大英帝国勲章第四位を受章。2008年にはリバプール大学から名誉博士号を受けた。また同年、英国SF協会賞が存在しなかった時代である1958年の長編部門賞が、『寄港地のない船』に授与された。