Родилась в Пасадене (шт. Калифорния). После пяти неудачных беременностей её матери оказалась долгожданным и единственным ребенком в семье. Ее отец работал чистильщиком обуви, но вскоре после рождения дочери умер, так что матери пришлось таскать дочурку с собой повсюду, даже на работу. Из-за болезненной застенчивости и развившейся дислексии, девочка очень плохо училась в средней школе. Затем она продолжила свое обучение в Пасаденском колледже. В течение этого времени Октавия работала днем, а на вечерних занятиях изучала литературу. После этого она поступила в Университет штата Калифорния, а также посещала курсы Калифорнийского университета. Университет штата Калифорния она так и не закончила, т.к. «переключилась» на обучение в семинарах.
В 1969-70 гг. Батлер занималась в рамках «Программы открытых дверей Гильдии американских сценаристов Запада». А летом 1970 года под патронатом Харлана Эллисона начала посещать знаменитый шестинедельный «Кларионский семинар» в г. Кларион (штат Пенсильвания). После этого Батлер полностью переключилась на литературу.
В восьмидесятых годах была приглашена в СССР в составе делегации американских авторов. В ноябре 1999 года после смерти матери она переезжает в Сиэтл, где на деньги полученного ею в 1995 году гранта от Макартуровского общества купила себе дом, из которого выезжала только чтобы читать лекции о писательстве и литературе. Ведя в основном затворнический образ жизни, она являлась частым гостем «Кларионского семинара», состояла членом женского общества «Delta Sigma Theta Sorority», а также состояла консультантом в правлении «Музея научной фантастики и Зала славы в Сиэтле.
О. Батлер начала писать в десятилетнем возрасте, чтобы избежать одиночества и скуки. Сначала это были рассказы о лошадях, которыми девочка бредила, а в 11 лет она переключилась на любовные и романтические истории. Научной же фантастикой Батлер увлеклась в 12 лет после просмотра дешёвого кинофильма «Дьявольская девочка с Марса».
Первая публикация — рассказ «Crossover» (1971), опубликованный в первой Кларионской антологии. Ее второй рассказ «Childfinder» был куплен Харланом Эллисоном для своей антологии«The Last Dangerous Visions», которая так никогда и не увидела свет. Поначалу занятия литературой не приносили успеха, так что в течение последующих пяти лет эти два рассказа были единственными купленными у нее произведениями. Но, несмотря на недовольство родни и увещевания друзей найти себе приличную работу, она продолжала писать. Лишь в 1976 году выходит из печати первый роман писательницы под названием «Patternmaster», над которым она работала в течение двух лет.
В 1979 году выходит самая известная и, как считается, лучшая книга О. Батлер роман «Kindred». Интересно, что эта книга несколько раз отклонялась различными издательствами, но уже спустя некоторое время после выхода вошла в программы многих учебных заведений США.
В последние годы писательница страдала высоким артериальным давлением и приступами сердечной недостаточности, так что она не могла долго передвигаться без передышки. В последний десять лет она тратила много денег на лечение, но ее охватывала все большая апатия и сонливость, так что ее последняя книга – роман «Fledgling» (2005) – вышла через семь лет «литературного затишья».
Никогда так и не вышедшая замуж, называя саму себя «счастливым отшельником» и признавая себя неловкой феминисткой и необщительной пессимисткой, Октавия Батлер долгие годы боролась с бедностью, застенчивостью и неуверенностью в себе. К тому же, как вспоминает ее очень хороший друг писатель-фантаст Харлан Эллисон, Октавия, когда смеялась, всегда закрывала рот руками, очень стесняясь своих кривых зубов. Другой ее друг, писатель-фантаст Стивен Барнс, указывал на ее необыкновенно мощный интеллект в сочетании с самым махровым чёрным юмором.
Болезнь все больше и больше давала о себе знать, во время одного из гипертонических кризов она находилась недалеко от дома в пригороде Сиэттла Лэйк-Форест-Парк, упала и ударилась головой о мощёную дорожку, и вечером 24 февраля 2006 года скончалась в больнице «Northwest Hospital». Октавия Батлер была похоронена в городе ее детства Пасадене, на старинном историческом кладбище.