1947년 미국 캘리포니아주의 패서디나에서 태어났다. 유년기에 아버지를 여의고 어머니와 할머니 손에서 자라는 동안 어머니가 일터에서 가져다주는 헌책과 잡지를 읽으며 이야기의 세계에 빠져들었다. 열 살 때 어머니를 졸라 얻은 휴대용 타자기를 두 손가락으로 두드리며 작가의 꿈을 키우기 시작했다. 고등학교를 졸업한 후 낮에는 공장 등에서 임시직 노동자로 일하고 밤에는 야간 전문대학에 다니며 꾸준히 글을 쓴 버틀러는 유명한 SF 작가이자 편집자인 할란 엘리슨에게 권유받아 클라리온 SF 작가 워크숍에 참석했고, 첫 단편을 상업 잡지에 팔면서 작가로서 첫발을 내딛는다. 마침내 1976년 첫 장편 소설 『패턴마스터The Patternmaster』를 발표하며 본격적인 작가 경력을 시작한 버틀러는 이후 『킨』과 『블러드차일드』, 『와일드 시드』, 『씨앗을 뿌리는 사람의 우화』, 『은총을 받은 사람의 우화』 같은 작품을 선보이며 독보적인 작가로 성장했다.

이전까지 엘리트 백인 남성 작가들이 주도하던 20세기 SF계에서 흑인 여성 작가인 버틀러가 인종과 젠더, 환경, 사회 역학 같은 주제를 탐구하며 써낸 소설들은 SF의 새 지평을 가리키는 이정표로 여겨졌을 뿐 아니라, 21세기 들어 차별과 혐오가 극단화된 오늘날의 세계에서도 새삼 큰 관심을 받고 있다. 버틀러는 휴고상과 네뷸러상, 로커스상 등을 여러 차례 수상했으며, SF 작가로서는 처음으로 이른바 ‘천재상’으로 불리는 맥아더 재단 펠로십을 수상했다. 2006년 2월에 워싱턴주 시애틀에서 타계했다. 2021년 2월, 미 항공우주국은 인류 상상력의 지평을 넓힌 버틀러의 공로를 기리고자 화성 탐사 로봇 퍼서비어런스호가 착륙한 지점을 ‘옥타비아 E. 버틀러 착륙지’로 이름 지었다.