Отец умер рано, и воспитывала её одна мать. Из-за болезненной застенчивости и развившейся дислексии, Октавия очень плохо училась в средней школе. Затем продолжила своё обучение в Пасаденском колледже (1965—1968 годах). В этот период Октавии Батлер приходилось работать днём, а на вечерних занятиях она изучала литературу. После колледжа поступила в Калифорнийский университет, посещала курсы, но так как «переключилась» на обучение в семинарах, не закончила его. В 1969—1970 годах Батлер занималась в рамках «Программы открытых дверей Гильдии американских сценаристов Запада» (Open Door Program of the Screen Writers' Guild of America, West). Летом 1970 года под патронатом Харлана Эллисона начала посещать знаменитый шестинедельный «Кларионский семинар» (англ. Clarion Science Fiction and Fantasy Writers Workshop) в городе Кларион (штат Пенсильвания). После этого Батлер полностью переключилась на литературу. Долгое время жила в Лос-Анджелес. В восьмидесятых годах была приглашена в СССР в составе делегации американских авторов. В ноябре 1999 года переехала в Сиэтл, где на деньги гранта от Макартуровского общества купила себе дом. 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 (англ. Science Fiction Museum and Hall of Fame) в Сиэтле.

В последние годы жизни Октавия Батлер страдала высоким давлением крови и сердечными приступами. Последние десять лет жизни она тратила много денег на лечение болезни, но её охватывала всё большая апатия и сонливость. Её последняя книга — роман «Fledgling» (2005) — вышла через семь лет «литературного затишья».

Октавия Батлер умерла 24 февраля 2006 года в больнице «Northwest Hospital», после припадка, случившегося недалеко от её дома в Лейк-Форест-Парк