Il passe son enfance à Pau, où sa mère Andrélie ouvre un magasin de lunettes. Pendant la guerre, Roger Grenier suit les cours de Gaston Bachelard à la Sorbonne avant de participer en 1944 à la libération de Paris. Il est ensuite engagé par Albert Camus dans l'équipe de Combat, puis à France-Soir. Journaliste, il suivra de près les procès de la Libération auxquels il consacrera son premier essai en 1949 sous le titre Le Rôle d'accusé. Homme de radio, scénariste pour la télévision et le cinéma, membre du comité de lecture des éditions Gallimard depuis novembre 1963, il reçoit le Grand prix de littérature de l'Académie française en 1985 pour l'ensemble de son œuvre. Celle-ci est composée de plus d'une trentaine d'ouvrages, romans — dont deux best-sellers Le Palais d'hiver en 1965 et Ciné-roman, Prix Femina en 1972 —, essais et nouvelles. Publié internationalement (The Difficulty of Being a Dog…), il est également conférencier, parlant de littérature, de l'histoire des éditions Gallimard ou de ses amis (Albert Camus, Brassaï…). En 1971, il rédige la préface à L’île de Sakhaline d'Anton Tchekhov pour la collection Folio.
Il est marié et a deux enfants.