Terlouw studeerde wis- en natuurkunde in Utrecht en promoveerde in 1964 op thermonucleair onderzoek. Vanaf de jaren '70 verkreeg hij bekendheid als kinderboekenschrijver en politicus. Als schrijver debuteerde hij met Pjotr (1970), waarna al snel andere beroemde kinderboeken volgden, zoals Koning van Katoren (1971) en Oorlogswinter (1972).

In het jaar dat hij Koning van Katoren schreef kwam hij ook in de Tweede Kamer voor D'66. In de jaren daarna was hij ondermeer fractievoorzitter, minister van Economische Zaken, vice-premier en Commissaris van de Koningin in Gelderland. Hij is nu o.a. lid van het regieorgaan Energietransitie en hij schrijft literaire thrillers samen met zijn dochter Sanne.