Sus primeras obras publicadas son Tragicomedia de un hombre sin espíritu (1925), Historia de un amanecer (1926), El boxeador y un ángel (1929) y Cazador en el alba (1930). Entre sus libros de narraciones breves destacan La cabeza del cordero y Los usurpadores, ambas de 1949; Historia de macacos (1955), de carácter humorístico; El jardín de las delicias (1971), y La niña de oro y otros relatos (2001), donde se recoge El rapto, basado en el capítulo LI de la primera parte del Quijote. Entre sus novelas figuran Muertes de perro (1958) y El fondo del vaso (1962), y es autor además de importantes ensayos sociológicos (como su Introducción a las Ciencias Sociales, de 1952, o el Tratado de sociología, de 1957) y estudios literarios (recogidos en Las plumas del fénix, de 1989, y El escritor en su siglo, de 1990).

Próximo al realismo crítico y a novelistas intelectuales como Thomas Mann, Aldous Huxley o Ramón Pérez de Ayala, algunos de los rasgos fundamentales de su obra son el intelectualismo, la ironía y la deshumanización.

Miembro de la Real Academia Española, obtiene el Premio Cervantes en 1991 y el Príncipe de Asturias de las Letras en 1998, altos reconocimientos concedidos por "la lucidez, el talante liberal, y la indagación en la condición humana" (Jurado del Premio Príncipe de Asturias, 1998) que caracteriza a su obra, extendida por todo el mundo hispánico.

El escritor Francisco Ayala, premio Cervantes 1991, depositó en la Caja de las Letras del Instituto Cervantes, en el año 2007, un legado que permanecerá guardado hasta el 15 de febrero del 2057. Es una de las personalidades que deja un objeto personal en la antigua cámara acorazada de la sede central del Instituto.