Hijo del escritor y uno de los principales ideólogos del falangismo Rafael Sánchez Mazas y de la italiana Liliana Ferlosio, nació en Roma, donde su padre era corresponsal del diario ABC. Es hermano del filósofo y matemático Miguel Sánchez-Mazas Ferlosio y del poeta y cantante Chicho Sánchez Ferlosio. Estudió en el colegio jesuita San José de Villafranca de los Barros y posteriormente cursó filología en la Facultad de Filosofía y Letras de la Universidad Complutense de Madrid, en la que obtuvo el doctorado. En 1950 se hizo novio de la escritora Carmen Martín Gaite, a quien había conocido en la universidad. Se casaron en octubre de 1953 y terminaron separándose amistosamente en 1970. Juntos tuvieron una hija, Marta, que falleció en 1985 a la edad de 29 años.

En el ámbito literario, Ferlosio fue miembro del Círculo Lingüístico de Madrid, junto con Agustín García Calvo, Isabel Llácer, Carlos Piera y Víctor Sánchez de Zavala. Por otro lado, junto a autores como Ignacio Aldecoa, Jesús Fernández Santos, la propia Gaite y Alfonso Sastre, fue fundador y colaborador de la Revista Española. Todos ellos compartieron una poética realista que presentaba notables influencias del neorrealismo italiano.

Sánchez Ferlosio contribuyó a esa corriente con una de las obras más significativas de la literatura española de la posguerra: El Jarama, (1955), aunque su primera novela fue Industrias y andanzas de Alfanhuí (1951), narración de sesgo fantástico sobre un niño que deja de ir a la escuela después de escribir en un alfabeto ininteligible y que va componiendo su propia realidad a través de extrañas andanzas que lo alejan de la órbita de la norma y el castigo.