Llorenç Villalonga Pons neix a Palma el 1897, fill de Miquel Villalonga Muntaner, militar, i de Joana Pons Marquès. Després de cursar el batxillerat a l'Institut Balear de Mallorca, i tot i no despuntar en els estudis, es decanta per la carrera de medicina. Aquesta decisió li suposa un fort enfrontament amb el seu pare, que havia pensat en un futur militar tant per a ell com per al seu germà Miquel.

Estudia medicina en diverses facultats: a Múrcia, a Barcelona i a Saragossa, on acaba els estudis el 1926. Són anys de disbauxa. Llorenç Villalonga és un jove inquiet, curiós i rebel, amb un intens afany cosmopolita que el duia a menystenir la cultura illenca provinent del XIX. A l'avantguarda estètica dels anys vint i trenta, la seva primera incursió a l'activitat literària es dona precisament durant aquesta època: escriu per al diari El Día, de Palma, diversos articles sobre política i sobre cultura —des d'un punt de vista anticatalanista— i alguns contes sintètics, que publica més tard. Aquests primers escrits els signa amb el pseudònim de Dhey, que també utilitza en algunes de les seves primeres obres.

El 1927 obre un consultori a Palma, i poc després a la Clínica Peñaranda. De 1930 a 1934, ocupa el càrrec de secretari del Col·legi Oficial de Metges de les Balears. Paral·lelament, entra a treballar a l'Hospital Provincial, però poc després passa a l'Hospital Psiquiàtric, però la seva passió és la literatura.

S'estrena com a narrador amb la novel·la Mort de dama (1931), llibre que a pesar de suposar un salt qualitatiu en la seva carrera literària —i de ser considerada un clàssic de la literatura catalana contemporània—, rep, en el moment de publicar-se, crítiques airades de l'entorn regionalista de l'illa i dels poetes de l'Escola Mallorquina que se senten al·ludits en la sàtira i la paròdia que traspua l'obra.

Tres anys més tard d'aquesta primera aventura literària decideix engegar amb el seu germà Miquel el magazín Brisas (1934-1936), revista que ell mateix dirigeix i on publica alguns dels seus relats, poemes i obres teatrals com ara Silvia Ocampo i Fedra, i el començament de la novel·la Madame Dillon (1937), totes tres inspirades en la relació sentimental amb Emilia Bernal, una poeta cubana. En aquests escrits Villalonga retrata la realitat de Mallorca durant els anys trenta, quan tot just començaven a arribar les primeres onades de turistes. Aquest mateix any (1934) apareix Centro, un recull d'articles bel·ligerants amb el catalanisme.

L'any 1936, Villalonga entra a formar part de la Falange Espanyola, la qual cosa es reflecteix en els seus escrits, clarament propagandístics. I al cap de poc temps es casa amb Teresa Gelabert Gelabert.

En acabar la Segona Guerra Mundial, Villalonga inicia una nova etapa literària en què es decanta per una major reflexió, i els seus escrits s'omplen de nostàlgia i de rememoració d'un món perdut a la manera de Proust. Torna a col·laborar a la premsa, al diari Baleares, també franquista, i recupera el pseudònim de Dhey, que ja havia utilitzat anys enrere. Influenciat per l'obra proustiana, comença a preparar unes memòries literàries.

A partir dels anys cinquanta, fruit de la reflexió entorn de les conseqüències devastadores de la guerra civil, el pensament de Villalonga pren un marcat caràcter escèptic, i això propicia un acostament al món cultural mallorquí. Es relaciona amb Manuel Sanchis Guarner, Francesc de Borja Moll —editor de La novel·la de Palmira—, Llorenç Moyà, Josep M. Llompart, Jaume Vidal Alcover, gran amic seu entre 1951 i 1968, o Salvador Espriu —que reelabora i tradueix l'obra villalonguiana Fedra i la publica al costat de la seva Antígona—. És assidu a les tertúlies del cafè Riskal de Palma.

La segona edició de Mort de dama (1954) adaptada al català del Principat, molesta l'autor que és un defensor de les varietats dialectals. Aquest fet condiciona la publicació de la següent novel·la Bearn, que si bé havia estat escrita en català, finalment veurà la llum en castellà el 1956; , i passarà desapercebuda. Anys després, el 1961, apareix l'edició catalana i el 1963 rep el Premi de la Crítica i el reconeixement literari per part de crítics i escriptors. A més, es tradueix a gairebé totes les llengües europees i, també, al xinès i al vietnamita. Bearn converteix en mite les seves experiències de joventut i la societat mallorquina en transformació, temes que apareixen de nou en altres novel·les posteriors, tot configurant, el que s'ha anomenat "mite de Bearn".

A partir d'aleshores es dedica a fer una literatura més autobiogràfica. Són d'aquesta època L'àngel rebel (1961), Falses memòries de Salvador Orlan (1967), Les Fures (1967) i El misantrop (1972). També publica nombrosos articles, no només a la premsa mallorquina, sinó també a la de Barcelona (a Destino i a El Correo Catalan).

Durant els últims anys de la seva trajectòria literària publica un parell de novel·les Andrea Víctix (1974) i Un estiu a Mallorca (versió narrativa de l'obra de teatre Silvia Ocampo).

Mor a Palma el 28 de gener del 1980.