Pasó los primeros años de su vida en Oviedo, en la corte de Alfonso II, y fue probablemente asociado al trono en su juventud. A la edad de nueve años se trasladó a Galicia con su familia, región de la que su padre había sido nombrado gobernador. Completó su educación en Lugo, donde residía, y allí mismo inició su formación militar.

Fue nombrado gobernador provisional de Galicia mientras su padre, Ramiro, acudía a las Bardulias para contraer matrimonio con Paterna, que sería su segunda esposa. Durante dicho viaje, la vida de Ordoño cambió radicalmente, puesto que durante el mismo falleció Alfonso II. Todo parecía indicar que Ramiro sería proclamado rey de inmediato, pero Nepociano, un noble que contaba con numerosos apoyos, se hizo proclamar rey de Asturias, hecho que favoreció la ausencia de Ramiro.

Ordoño colaboró entonces en las tareas de organización del ejército que su padre quería utilizar contra Nepociano, aunque no luchó, puesto que quedó en Galicia como gobernador, todavía provisional. Tras el ascenso de Ramiro al trono, quedó confirmado en dicho puesto. Poco después, a la edad de 26 años (en el 847), contrajo matrimonio con una noble llamada Doña Munia o Nuña, probablemente hermana de Íñigo Arista, Rey de Pamplona. De esta unión nacieron al menos seis hijos, de cuales el primogénito fue Alfonso III el Magno. También fue su hija Doña Palla, que estableció su corte en Peñaullán, Concejo de Pravia, sobre los antiguos restos de un Castro, conocido en la actualidad como el Castro de Doña Palla.

Sucedió a su padre Ramiro I a su muerte, acaecida el día 1 de enero del 850. De esta forma se convirtió en el primer rey de Asturias en acceder al trono por herencia, no por elección de la nobleza. Poco después tuvo que hacer frente a una sublevación de los vascones, apoyados probablemente por los Banu Qasi de Zaragoza. Tras sofocar la rebelión, y mientras regresaba a Oviedo, tuvo noticias de que los musulmanes tenían intención de atacar las Bardulias. Ante esto se dirigió a su encuentro y les venció en las orillas del Ebro.

Ambas victorias no mejoraron mucho su tranquilidad, puesto que tras esto, el gobernador de Zaragoza, Musa ibn Musa, decidió fortificar la ciudad de Albaida (la actual Albelda de Iregua). Ante el peligro que esto suponía para sus intereses, asedió y posteriormente arrasó la ciudad.

En cuanto a sus relaciones con Al-Ándalus, apoyó a los mozárabes sublevados contra la autoridad del emir de Córdoba, acción que le valió la derrota de Guadacelete (854). Este fracaso le obligó a consolidarse en la zona comprendida entre el Duero y la Cordillera Cantábrica, repoblando y amurallando las ciudades de León, Astorga, Amaya y Tuy, convirtiéndolas en la defensa del reino.

Intentó avanzar en la reconquista a expensas del señor árabe de Tudela, consiguiendo controlar los accesos a Navarra y a las tierras de los vascones. El gobernante musulmán de Córdoba reaccionó mandando una fuerte expedición a Álava, que fue arrasada, y a la Bureba, donde el primer conde castellano Rodrigo fue completamente derrotado. Esto frenó la reconquista por unos años.

Casó con Munia o Nuña. Fueron sus hijos:

- Alfonso III, rey de Asturias.
- Bermudo.
- Nuño.
- Odoario.
- Fruela.