21 Mayıs 1947 tarihinde Avusturya'nın Bregenz şehrinde Kırım Tatarı bir ailenin çocuğu olarak Dünya'ya geldi. İki yaşındayken ailesiyle birlikte Türkiye'ye göç etti. İlk ve orta öğrenimini İstanbul Avusturya Lisesi'nde tamamladı. 1965 yılında Ankara Atatürk Lisesi'nden mezun oldu.
1970 yılında Ankara Üniversitesi Siyasal Bilgiler Fakültesi'ni ve Ankara Üniversitesi Dil ve Tarih-Coğrafya Fakültesi'nin tarih bölümünü bitirdi. Ankara Üniversitesi'nde Şerif Mardin, Halil İnalcık, Mümtaz Soysal, Seha Meray, İlhan Tekeli, Mübeccel Kıray'ın öğrencisi oldu.
Viyana Üniversitesi Slavistik ve Orientalistik Bölümü'nde öğrenim gördü.Yüksek lisans çalışmasını Chicago Üniversitesi'nde Prof. Dr. Halil İnalcık ile yaptı. Ankara Siyasal Bilgiler Fakültesi'nde "Tanzimat Sonrası Mahallî İdareler" adlı tezi ile 1974 yılında doktor, "Osmanlı İmparatorluğu'nda Alman Nüfûzu" adlı çalışmasıyla 1979'da doçent oldu. 1982 yılında devletin akademik politikalarına tepki olarak görevinden istifa etti. Bu dönemde Viyana, Berlin, Paris, Princeton, Moskova, Roma, Münih, Strazburg, Yanya, Sofya, Kiel, Cambridge, Oxford ve Tunus üniversitelerinde misafir öğretim üyeliği yaptı, buralarda seminerler ve konferanslar verdi. 1989'da Türkiye'ye dönerek profesör oldu ve 1989-2002 yılları arasında Ankara Üniversitesi Siyasal Bilgiler Fakültesi'nde İdare Tarihi Bilim Dalı Başkanı olarak görev yaptı.
Yerli ve yabancı bilimsel dergilerde 16. ile 19. yüzyıllar arası Osmanlı tarihi ve Rus tarihi ile ilgili makaleleri yayınlandı. 2002 yılında Galatasaray Üniversitesi'ne, iki yıl sonra ise Bilkent Üniversitesi'ne konuk öğretim üyesi olarak geçti. Şu anda Galatasaray Üniversitesi Hukuk Fakültesi ve Bilkent Üniversitesi Hukuk Fakültesi'nde Türk Hukuk Tarihi derslerini vermektedir.
Galatasaray Üniversitesi Senato üyesidir.Ayrıca İlke Eğitim ve Sağlık Vakfı Kapadokya Meslek Yüksekokulu Mütevelli Heyeti üyesidir.
2005 yılında Topkapı Sarayı Müzesi başkanı oldu. Yedi yıl bu görevde kalan Ortaylı, 2012 yılında yaş haddinden emekli oldu. Ortaylı, Uluslararası Osmanlı Etütleri Komitesi yönetim kurulu üyesi ile Avrupa İranoloji Cemiyeti ve Avusturya-Türk Bilimler Forumu üyesidir.
Ortaylı, ileri seviyede Almanca, Rusça, İngilizce, Fransızca, İtalyanca ve Farsça ve iyi seviyede Latince bilmektedir ve orta seviyede Sırpça, Hırvatça, Boşnakça bildiği iddialarını yalanlamıştır.