Sitt examen artium tok han på Ski videregående skole. I 1964 oppnådde han en cand.real. ved Universitetet i Oslo på avhandlingen og var også tilsatt der fra 1964. Sin dr.philos tok han samme sted i 1974 for avhandlingen . I 1976 meldte han overgang til Universitetet i Bergen, der han ble professor i petroleumsgeologi. Han kom tilbake til Oslo i 1984 da han ble professor i geologi ved Universitetet i Oslo. Samme året ble han innvalgt i Det Norske Videnskaps-Akademi, der han var styremedlem i årene 2001–05. Ellers har han hatt forskningsopphold ved University of Reading i 1966, var universitetslektor ved det afrikanske Makerere University, Kampala i årene 1969-71, University of California, Santa Barbara og Colorado School of Mines 1981–82. Hans nære samarbeid med oljeselskaper ga ham i 1991 Statoils forskningspris på . Atten år senere mottok han æresprisen fra Norges Tekniske Vitenskapsakademi. I 2009 mottok han Brøggerprisen, Norsk Geologisk Forenings hederspris. Han er fra 2012 professor emeritus ved Institutt for geofag. Knut Bjørlykke er en æresmedlem i Geological Society of London.