I 1945 tok han realskoleeksamen, handelsgymnasium 1947, og student 1951.

Nordli var assistent ved Bærum kommunerevisjon 1948-49, fullmektig i Hedmark fylkesrevisjon 1949-57, og distriktsrevisor i Vang og Løten fra 1957.

Han startet sin politiske karriere som medlem av Stange kommunestyre 1951-63, og var i samme tidsrom varaordfører.

Han var formann i Hedmark fylkeslag av AUF fra 1951-61. Formann i Hedmark Arbeiderparti fra 1968-71. Odvar Nordli var varamann til DnAs landsstyre 1956-63, og varamann til sentralstyret 1965-5, medlem fra 1975-83.

Nordli var vararepresentant til Stortinget 1954-61 og møtte for kortere tidsrom i 1958, 59 og 60. Han ble valgt som stortingsrepresentant for Hedmark i 1961 og trakk seg fra vervet i 1985.

Var nestformann i Kommunalkomiteen på Stortinget 1965-69. Han var formann i LO/DNAs skattekomité 1967-69, formann i Sosialkomitéen på Stortinget 1969-71, kommunalminister i Trygve Brattelis regjering fra 17. mars 1971 til 18. oktober 1972 og parlamentarisk leder for Arbeiderpartiet 1973-75. Etter Arbeiderpartiets landsmøte i 1975 hvor Reiulf Steen ble valgt til formann, ble Odvar Nordli utpekt som partiets statsministerkandidat.

Han ble statsminiser fra 15. januar 1976 til 4. februar 1981 da Gro Harlem Brundtland overtok. Han ble den første statsministeren som begynte å merke at Norge var blitt en oljenasjon og fikk oljeinntekter. Men han var også statsminister under omstridte saker som dobbeltvedtaket om NATO og utbyggingen av Alta.

Nordli ble utnevnt til fylkesmann i Hedmark i 1981 og hadde dette embetet til han gikk av med pensjon i 1993. Formann Kommunalbankens styre.

Siden 1985 har Odvar Nordli vært medlem av Den norske Nobelkomitéen.