Şili'nin Santiago kentinde doğdu. Çocukluğu Los Angeles, Valparaiso, Quilpe, Viña del Mar gibi kentlerde geçti. On üç yaşında ailesiyle birlikte Meksika'ya yerleşti. Yeniyetmelik yıllarını Meksiko Kent Kütüphanesi'ne kapanıp okuyarak geçirdi. 1973 yılında Salvador Allende'nin sosyalist reform sürecine katılmak için neredeyse bütün Latin Amerika'yı kat ederek Şili'ye gitti. Pinochet'nin darbesinden sonra direnişe katılmaya karar verdi, ancak kısa sürede tutuklandı. Sekiz gün tutukluluktan sonra eski okul arkadaşı bir polisin yardımıyla serbest kaldı. Meksika'ya döndü ve (Vahşi Hafiyeler'deki Ulises Lima karakterine model olan) yakın arkadaşı şair Mario Santiago Papasquiaro ile "Infrarealist şiir hareketi"ni başlattı. Daha sonra Bolaño, şiirden çok düzyazıya yoğunlaştı.

1977 yılında Katalunya'ya, annesinin yanına yerleşti. Edebiyat yarışmalarına katılarak yaşamını kazanmaya başlamadan önce çeşitli işlerde (yazları bağbozumu, gece bekçiliği, bulaşıkçılık, satıcılık) çalıştı. İlk romanları 40 yaşında basılmaya başladı. 90'lı yıllarda şansı döndü. Vahşi Hafiyeler romanıyla Herralde Ödülü'nü (1998) ve Latin Amerika'nın Nobel'i olarak görülen Venezüella, Romulo Gallegos Ödülü'nü (1999) kazandı. Ölümünden bir yıl sonra 2004'te, 2666 adlı romanıyla İspanyolca yazılmış en iyi romana verilen Salambó Ödülü'ne layık görüldü. Barselona'da 2003 yılında, elli yaşında karaciğer rahatsızlığından öldü.