Nació en Calabazar de Sagua, pequeño pueblo del centro de la Isla, perteneciente a la antigua provincia de Las Villas, el 11 de mayo de 1914.
Cursó estudios hasta el bachillerato, que realizó en el Instituto de Segunda Enseñanza de Santa Clara. Al no poder continuar sus estudios por dificultades económicas familiares, desempeñó diversos oficios, entre ellos viajante de comercio, lo que le permitió conocer diferentes espacios de la geografía nacional, especialmente del centro del país, así como innumerables personalidades populares que le sirvieron, en muchas ocasiones, de modelos para sus personajes y sus historias.
Comenzó a escribir desde muy joven —en 1936 ganó un concurso de cuentos de la Revista Social—, pero no es hasta la década de los años 40 que empieza a darse a conocer, al obtener menciones en el prestigioso Concurso "Alfonso Hernández Catá" y finalmente el primer premio, en 1945, con «Los carboneros».
En ese propio año, sale publicado en México, preparado por José Antonio Portuondo, su primer libro, Taita, diga usted cómo. También aparece representado —con el cuento «Nino»— en Cuentos cubanos contemporáneos, antología preparada igualmente por Portuondo y publicada en México, y en Cuentos cubanos. Antología, compilados por Enma Pérez en ese propio año, con «Los carboneros». Mientras desarrolla su vocación de escritor, realiza diversas labores, entre ellas la de vendedor ambulante, viajante de medicina y maestro rural, labor que desempeña, junto a Raúl Ferrer, en una pequeña escuela del Central Narcisa.
En 1948 se instala en La Habana. En ella trabajará, como redactor de noticiero, en la Emisora Mil Diez; escribe además libretos para la radio comercial, y fue Jefe de Redacción del noticiario cinematográfico Cine-Revista.
En 1952 obtuvo el Premio Nacional de la Paz, por su cuento «Hierro viejo».
Aunque cuentos onelianos siguieron apareciendo en revistas y Antologías, su segundo libro no aparece hasta 1958: El cuentero, editado por la Universidad Central de Las Villas.
Después del triunfo de la Revolución Cubana, desempeñó varias responsabilidades: dirigió el Instituto de Derechos Musicales, fue jefe de reportajes especiales en el periódico Granma, jefe de redacción de Pueblo y Cultura y del Semanario Pionero. También trabajó como guionista de documentales en el ICAIC y en la Sección Fílmica del Ejército Rebelde. Desde 1961 perteneció al Ejecutivo de la Sección de Literatura de la Unión de Escritores y Artistas de Cuba (UNEAC).
El caballo de coral, su tercer libro, y segundo en Cuba, salió publicado en 1960.
En 1962 salió publicada la primera edición de sus Cuentos completos, con dibujo de René Portocarrero.
Ese mismo año publica Gente de pueblo, una colección de reportajes con fotos de José Tabío, que fue un amigo entrañable del autor, y prólogo de Samuel Feijóo.
En 1964 aparece un nuevo libro de cuentos, La otra muerte del gato, y obtiene el premio «26 de julio» por su reportaje «Santiago antes del 26», que fuera publicado en la revista Pueblo y Cultura, en octubre de ese año.
Al año siguiente, publica un pequeño cuaderno con el cuento «El perro», para las ediciones La Tertulia, de la UNEAC, y en 1966, Iba caminando.
Una nueva edición de Cuentos completos, que incluye los nuevos relatos publicados hasta entonces, aparece en ese mismo año, esta vez con un prólogo de Raúl Aparicio.
Esta colección fue reeditada por el Instituto del libro en 1969, y por la UNEAC en 1975, con el nombre de Cuentos.
En un pequeño cuaderno, sin fecha de edición, titulado Tres cuentos para niños, se publicaron, por primera vez en un volumen independiente, tres de los más significativos relatos para niños de Onelio Jorge.
Abrir y cerrar los ojos que inicia su etapa de mayor madurez, aparece en 1969. En los diez años transcurridos desde el triunfo de la Revolución han sido publicadas cinco colecciones de sus cuentos en varios países (Rusia, Hungría, Rumania, Polonia), y relatos suyos se recogieron, además, en siete antologías editadas en Moscú, Sofía, México, D.F., etc., así como en otras siete publicadas en La Habana.
En 1974 se edita El hilo y la cuerda, posteriormente traducido al francés y editado en París en 1982, y Caballito blanco, que recoge la mayoría de los cuentos para niños que previamente habían sido publicados en revistas o en otros libros. Este volumen se tradujo casi inmediatamente y apareció, en sus respectivos idiomas, en Praga, Bratislava y Riga.
La colección Letras Cubanas editó, en 1975, un nuevo volumen con toda la producción cuentística oneliana hasta ese año, bajo el título de Cuentos que fue traducido al polaco y publicado en Cracovia en 1980. El autor revisó, y en algunos casos realizó pequeñas variaciones, de los cuentos aparecidos en este volumen, por lo que se debe considerar como su versión definitiva.
En los años siguientes fueron editadas selecciones de los cuentos de Onelio Jorge, en títulos como La melipona (1977), Crecimiento (1980), Cuentos escogidos (1981), entre otras, publicadas tanto en Cuba como en el extranjero.
En 1976, se desempeñó como Consejero Cultural de la Embajada de Cuba en Perú, y a su regreso fue elegido Presidente de la Sección de Literatura (hoy Asociación de escritores) de la UNEAC, cargo que desempeñó hasta su muerte.
Una nueva colección de sus reportajes, esta vez de los realizados después de 1959, aparece en 1981 con el título de Gente de un nuevo pueblo.
En 1983 le fue conferida la condición de Doctor Honoris Causa por la Universidad "Simón Bolívar", de Bogotá, Colombia; y recibió el mismo grado honorífico por la Universidad de La Habana en 1984.
Su último libro para adultos, La cabeza en la almohada fue publicado en 1983, y Negrita, una noveleta para niños, en 1984; y una segunda edición apareció, en 1985, en España. Los dos cuentos para niños que se incluyeron en La cabeza en la almohada, aparecieron después en un tomo aparte, bajo el título de Dos ranas y una flor.
Falleció en La Habana, el 29 de mayo de 1986.
Cuentos suyos han sido traducidos a más de 12 idiomas, y muchos han aparecido en antologías en diversas partes del mundo. Varios han sido llevados al teatro, al ballet y al cine. Onelio Jorge Cardoso es considerado el cuentista nacional cubano.