Urodziła się jako Catherine Marie-Agnès Fal de Saint Phalle 29 października 1930 w Neuilly-sur-Seine. W latach 30. dorastała w Nowym Jorku, gdzie przeniosła się jej rodzina. Jako nastolatka pracowała jako modelka, jej zdjęcia ukazały się m.in. w czasopismach "Elle", "Life” i "Vogue”.
W 1949 poślubiła amerykańskiego pisarza Harry’ego Mathewsa, małżeństwem byli do 1961, z tego związku urodziło się dwoje dzieci. W latach 50. zrezygnowała z kariery modelki i zaczęła malować. Wpływ na porzucenie dotychczasowego stylu życia miało przeżyte w tym okresie załamanie nerwowe - malarstwo było rodzajem terapii. Wpływ na sztukę, jaką zaczęła uprawiać miała podróż do Barcelony i odkrycie architektury Antonio Gaudiego.
W 1956 zorganizowała swoją pierwszą wystawę w St.Gallen w Szwajcarii. W 1960 roku rozpoczęła długą i produktywną współpracę artystyczną ze szwajcarskim rzeźbiarzem Jeanem Tinguelym (1925-1991). Po rozwodzie z Mathewsem związała się z Tinguelym także uczuciowo, pobrali się w 1971.
Na początku lat 60. zasłynęła jako autorka serii obrazów-tarcz strzelniczych. We wnętrzu białego obrazu de Saint Phalle ukrywała pojemniki z farbą, które po jego przestrzeleniu wypływały i malowały dzieło. W tej samej dekadzie stworzyła swoje pierwsze rzeźby.
Międzynarodową sławę przyniosły jej gigantyczne plenerowe rzeźby i instalacje realizowane wspólnie z Tinguelym. Jako materiału używała poliestru, jej rzeźby są bardzo kolorowe. W swoich pracach często wykorzystywała motyw kobiecego ciała. W
1965 na wystawie w Galerii Aleksandra Iolas, w Nowym Jorku i
w Paryżu, pokazała pierwsza serię rzeźb figuratywnych kobiet: the Nanas. "Nana" stała się jej symbolem.
Do najciekawszych realizacji artystki należy pokazana w 1966 w Moderna Museet w Sztokholmie olbrzymka - "Nana: Hon. En Kathedral" ("Ona. Katedra"), zrealizowana wspólnie z Tinguelym i Per Olofem Ultvedtem. W długim na 28, szerokim na 9 i wysokim na 6 metrów leżącym na plecach ciele Nany, do którego wchodziło się przez waginę, umieszczono m.in. kino, ławeczkę dla zakochanych, bar coca-colowy, akwarium czy planetarium oraz szereg instalacji i prac realizujących przedsięwzięcie artystów. Przez pępek zwiedzający wychodzili do Niebieskiej werandy - swoistego hołdu dla Yves’a Kleina.
Na początku lat 70. zaczęła budowę Tarot Garden w toskańskim Gravicchio, we Włoszech. Jest
to park monumentalnych rzeźb w
przestrzeniach architektonicznych inspirowanych przez 22 karty Tarota, tzw. Wielkie Arkana. W
1983, w celu sfinansowania budowy ogrodu, stworzyła perfumy i
zaprojektowane butelki, opakowania i artykuły promocyjne dla linii
perfum, która nosi jej imię. W tym czasie, w 1991 Jean Tinguelly zmarł. W 1997 Tarot Ogród otwarto dla publiczności.
Od 1994 mieszkała w San Diego, gdzie zmarła 21 maja 2002. Bezpośrednią przyczyną śmierci z powodu niewydolności płuc.