Ortaylı , ilk ve orta öğrenimini İstanbul ve Ankara’da tamamladı ve 1965’te Ankara Atatürk Lisesi’nden mezun oldu. Ankara Üniversitesi Siyasal Bilgiler Fakültesi (1969) ile Ankara Üniversitesi Dil ve Tarih-Coğrafya Fakültesi Tarih Bölümü’nü bitirdi. Viyana Üniversitesi’nde Slavistik ve Orientalistik okudu. Chicago Üniversitesi’nde yüksek lisans çalışmasını Prof. Dr. Halil İnalcık ile yaptı. “Tanzimat Sonrası Mahalli İdareler” ile doktor, 1979’da “Osmanlı İmparatorluğu’nda Alman Nüfuzu” çalışmasıyla da doçent oldu. 1983’te istifa etti. Viyana, Cambridge, Oxford ve Tunus üniversitelerinde misafir öğretim üyeliğiyle birlikte seminerler ve konferanslar verdi. Yerli ve yabancı bilimsel dergilerde Osmanlı tarihinin 16., 19. yüzyılı ve Rusya tarihiyle ilgili makaleler yayımladı. 1989’da Ankara Üniversitesi Siyasal Bilgiler Fakültesi İdare Tarihi bilim dalı başkanı olarak göreve başladı. Ortaylı, 2005–2012 yılları arasında Topkapı Sarayı Müzesi Başkanlığı görevini sürdürmüştür. 2002-2014 yılları arasında Galatasaray Üniversitesi Hukuk Fakültesi’nde Hukuk Tarihi dersleri veren Ortaylı, halen bu üniversitede misafir öğretim üyesi olarak ders vermeye devam etmektedir. Almanca, İngilizce, Fransızca, İtalyanca, Rusça ve Farsça dillerini bilen Ortaylı, Uluslararası Osmanlı Etüdleri komiteleri yönetim kurulu üyesi ve Avrupa İranoloji Cemiyeti üyesidir.