Nordli var fra Tangen i Stange kommune i Hedmark og var utdannet revisor. Han var stortingsrepresentant fra 1961 til 1985, etter to perioder som vararepresentant. Han var parlamentarisk leder for Arbeiderpartiets stortingsgruppe 1973–76 og Stortingets visepresident 1981–85.
Nordli ble statsminister den 15. januar 1976 og satt som regjeringssjef til den 4. februar 1981 da Gro Harlem Brundtland overtok. Odvar Nordli ble den første statsministeren som merket at Norge var blitt en oljenasjon og som fikk oljeinntekter inn i statsbudsjettet. Men han måtte også stri med omstridte saker som dobbeltvedtaket om NATO og utbyggingen av Alta-Kautokeinovassdraget, og den såkalte Volvo-avtalen, hvor svenske myndigheter foreslo at Norge skulle bli deleier i Volvo, mot at Sverige ble deleier av de norske oljeressursene. Motstanden hos sentrale krefter både i Norge og Sverige var for stor til at den ble en realitet.
Nordli ble i 1981 utnevnt til fylkesmann i Hedmark. Han tiltrådte embete i 1985 og hadde det til han gikk av med pensjon i 1993. Han var medlem av Den norske Nobelkomite 1. januar 1985 – 31. desember 1996. Han tjenestegjorde også i Tysklandsbrigaden.
Oddvar Nordli skrev en rekke bøker. Flere av disse var selvbiografiske, mens andre er mer kåserende. I 1984 ga han ut Langs veg og sti, og året etter Min vei. Minner og meninger. I 1994 gav han ut erindringsboka Vi så kornmoglansen: om drøm og hverdag. Landskapsskildringen Morgenlandet. Innlandet i ly av fjella kom i 1991. Storting og småting. Minner langs vegen (1996) og Skråblikk fra godstolen (2006) er minnebøker med anekdoter fra politikkens verden. Høsten 2008 gav han ut samtaleboken Alvorlig talt sammen med Kåre Willoch.
