Últim de quatre fills (Marta, José Agustín, Juan i Luis), els seus pares eren Josep Maria Goytisolo i Taltavull i Júlia Gay i Vives, un matrimoni barceloní de classe mitjana.[3]
Va estudiar Dret, però va abandonar els estudis per dedicar-se a la literatura. El 1992 obtingué el Premio Nacional de Narrativa i el 1995 ingressà a la Real Academia Española. La seva representant literària ha estat Carmen Balcells Segalà. Ha col·laborat en diaris com El País, ABC i Diario 16.
Els seus dos primers llibres —Las afueras i Las mismas palabras— s'inscriuen dins del realisme social i testimonial. Però, després d'anys de silenci i d'un gir cap al relat d'imaginació (Fábulas, escrit entre 1968 i 1978, però publicat el 1981), és en la dècada de 1970 quan dona la mesura del seu talent amb una tetralogia de llarga elaboració, Antagonía, el tema de la qual és l'art de l'escriptura. Claude Simon la inclou entre les tres grans novel·les del segle xx.[4] Destaca la seva preocupació pels trets estructurals i formals del relat.
«
L'ésser humà ha conegut temps més ombrívols; tan babaus, possiblement no. Decididament el món està més necessitat que mai d'un pensament estoic adequat al present, d'un neoestoicisme. O d'un nou epicureisme. De qualsevol dels dos. O millor: dels dos
»
— Luis Goytisolo
La tetralogia es compon de Recompte (1973), Recuento (1973), Los verdes de mayo hasta el mar, 1976, La cólera de Aquiles, 1979 y Teoría del conocimiento, 1981. En aquesta extensa i complexa obra, la novel·la es fa reflexió sobre la novel·la mateixa: partint dels problemes que es planteja un (o una) novel·lista personatge, es realitza un replatejament de l'art narratiu i una experimentació de diverses tècniques i estils. Tot això és molt revelador de les preocupacions del moment sobre les estructures i la destinació del gènere.