Né de petite noblesse du pays liégeois, il embrassa la carrière militaire vers 1660, en entrant chez les Mousquetaires comme cornette au Royal Étranger. Il participa, sous les ordres de Turenne, à la campagne de Flandres (1667) et à la conquête de la Franche-Comté, sous les ordres du Grand Condé (1668). La même année, la paix d’Aix-la-Chapelle le rendit à la vie civile jusqu’en 1672. Durant cette période, tout en résidant à temps partiel en Hollande, Gatien évolua dans les meilleurs milieux où il eut l’opportunité de noter mille et une anecdotes croustillantes qu'il saurait utiliser par la suite. En 1672, guerre reprit. Il obtint une compagnie dans le régiment de Beaupré-Choiseul comme capitaine de cavalerie. Avec le traité de Nimègue en 1679, Gatien quitta définitivement l’uniforme.
Dès 1678, Gatien avait commencé sa carrière littéraire par quelques publications. Bien introduit à la Cour du grand Condé, il y rencontra des personnages importants, nouvelle source d’inspiration. Mais c’est en Allemagne et en Hollande, où il résidait de plus en plus souvent, qu’il fit publier une bonne partie de son œuvre. D’ailleurs, en novembre 1686, il fonda, chez van Bulderen, le Mercure historique et politique, dont il fut le rédacteur jusqu'en 1693.
Auteur fécond, son œuvre tient du pamphlet, du roman et des Mémoires. Elle connut un vif succès, dû au tableau coloré de l'époque qu'il a peinte sans jamais se priver d'inventer selon ses besoins, son opportunisme et les goûts de son public. L'anecdotique et le scandale favorisèrent l'émergence d'un genre nouveau, celui du roman d'action. Mais la plume de Gatien était parfois trop imprudente. S’en prenant aux jésuites, condamnant les persécutions contre les protestants et criant son indignation à propos de la misère du peuple en faisant l'éloge du parlementarisme anglais, Gatien prenait des risques.
En France, ses écrits, jugés scandaleux, lui valurent une surveillance serrée dès qu’il était à Paris jusqu’à son arrestation en avril 1693. Enfermé à la Bastille pendant six ans, il rencontra François de Montlezun, marquis de Besmaux, gouverneur de la forteresse.
Trente-sept ans plus jeune que d’Artagnan, il avait intégré la compagnie des Mousquetaires trois ans avant le décès du célèbre gascon qu’il ne rencontra probablement pas. Mais, Besmaux, lui, avait bien connu d’Artagnan, en particulier au moment où ce dernier servait de geôlier à Fouquet quand il y fut emprisonné. Des récits que lui fit le gouverneur, Gatien tira une histoire très romancée : Mémoires de M. d'Artagnan qui furent publiées à Cologne en 1700.
Enfin libéré le 2 mars 1699, il ne retourna pas en prison contrairement à ce qui est souvent dit. Il partagea sa vie entre des activités de gentilhomme campagnard et, surtout à partir de 1701, la reprise de l'aventure littéraire à Paris où il était toujours l’objet d’une étroite surveillance.
De 1708 jusqu’à sa mort, on ne possède pas de renseignements.
Malgré un style vif et picaresque, ses œuvres furent dénigrées et qui se souvient, parmi ses nombreux écrits, de La France devenue italienne (1685) Histoire de la guerre de Hollande (1689), La vie de Jean-Baptiste Colbert Ministre d'état sous Louys XIV Roy de France (1695), ou de ses différentes
« Mémoires » fictives ? Personne, tout du moins pas directement.
Dumas père puisa tout ce qu’il put de l’œuvre de Gatien. Outre les Mémoires de M. d’Artagnan, les Mémoires de Monsieur le comte de Rochefort (1644), totalement inventées, lui inspirèrent le personnage du redoutable adversaire de d’Artagnan, comme les Mémoires du Marquis de Montbrun (1701) que Duma intégra dans son Vicomte de Bragelonne sous le nom de « Baisemaux ».
Gatien Courtilz de Sandras fut inhumé modestement dans le cimetière Saint-André-des-Arts en l'absence de tout membre de sa famille. Sa sépulture disparut en même temps que le cimetière.