1941'de Balıkesir'in Edremit ilçesinde doğdu. Galatasaray Lisesi’nden mezun oldu. Roma’da Istituto Superiore Dell'opinione Pubblica ve Centro Sperimentale di Cinematografia'da sinema yönetmenliği öğrenimi gördü. 1970-1974 arasında İstanbul Üniversitesi, Foto-Film Merkezi’nde çalıştı. Yılmaz Güney'in Arkadaş filminde asistanlık yaptı.

1973-1975 yılları arasında Atilla Dorsay ve Nezih Coş ile 7. Sanat sinema dergisini çıkardı. 1974'te girdiği TRT İstanbul Televizyonu’nda 1986'ya kadar çeşitli belgesel film ve kültür programlarının yönetmenliğini üstlendi. Yönettiği ilk konulu uzun metraj filmi 1988'de Bez Bebek oldu; bu film Ankara Film Festivali'nde En İyi Senaryo, Amiens'de En İyi Kadın Oyuncu (Hülya Koçyiğit) ödüllerini kazandı. 1990'da Soğuktu ve Yağmur Çiseliyordu filmini yönetti. 2007'de yönettiği Suna, Sadri Alışık Ödülleri'nde En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu Ödülü'nü (Gülsen Tuncer)  kazandı. Toplumsal meseleler ve gelenekler üzerine belgesel filmler yönetti: Türkülü Hikâyeler, Bergama Der ki: Ölüler Altın Takmaz (1999), Penceremde Sardunyalar (2004), Kilim: Köklere Yolculuk (2010) ve Birleştik Tekel Olduk (2010) bunlara örnektir. Mahmut Yaseri’nin Su Sinekleri'ni beş bölümlük TRT dizisi olarak çekti ve yine TRT adına Nazan Ölçer danışmanlığında Kara Tepe belgesel dizisini yönetti. Haldun Dormen'in Sinema TV programının yapımcılığını üstlendi. Atatürk’le ilgili anılar anlatısı televizyon programı Beni Hatırlayınız'ı yönetti.

Çeşitli dergi ve gazetelerde sinema yazıları yazdı, çeviriler yaptı; yazıları Şu Sinema Dedikleri: Sinema Yazıları Elli Yıllık Birikim (2016) adlı kitapta derlendi. Sinema üzerine iki kitabı Türkçeye kazandırdı: Ayzenştayn'ın Ders Notları ve Sinemanın 100 Yılı. 1994'te İstanbul Film Festivali'nde Ulusal Yarışma jürisinde yer aldı. Uzun süre Anadolu Üniversitesi ve Marmara Üniversitesi Sinema-TV bölümünde ders verdi. Sinema tarihçisi Burçak Evren’e göre "sinemayı dert edinen ve çok yönlü bir kültür adamı" olan Engin Ayça, 2022'de SİYAD Onur Ödülü’ne layık görüldü.