Fille d'un général d'aviation d'origine française, mort sous la torture pour sa fidélité à Salvador Allende, elle est elle-même arrêtée et torturée avec sa mère en 1975 et contrainte de s'exiler en Australie et en Allemagne de l'Est. De retour au Chili en 1979, elle achève ses études de médecine et milite au sein du parti socialiste, dont elle est membre du Comité central (1995), puis du bureau politique de 1998 à 2000. Nommée en 2000 ministre de la Santé par le président Ricardo Lagos, puis ministre de la Défense en 2002, elle démissionne en 2004 pour se présenter à l'élection présidentielle. Candidate de la Concertation démocratique, coalition réunissant démocrates-chrétiens, socialistes et radicaux formée dès 1983 en vue du rétablissement de la démocratie et au pouvoir depuis 1990, elle est élue à la présidence du Chili en janvier 2006 (entrée en fonctions le 11 mars).
Se donnant comme priorité la promotion des droits des femmes dans un pays encore très machiste, elle instaure une stricte parité dans son premier gouvernement et encourage par diverses mesures leur accession au marché du travail ; et, dans une société marquée par le catholicisme, elle promeut le planning familial. Poursuivant la politique de « croissance avec équité » de ses prédécesseurs, elle s'efforce, par des réformes ciblées de la prévoyance sociale – instauration d'une « protection intégrale de l'enfance » et des « retraites solidaires » notamment – de lutter contre la pauvreté et les profondes inégalités qui continuent de marquer le pays. Au plus bas à mi-mandat, sa popularité dépasse 80 % d'opinions favorables à la veille de l'élection présidentielle de décembre 2009-janvier 2010 à laquelle la Constitution lui interdit de se représenter pour un second mandat consécutif. Malgré les résultats obtenus après vingt ans de gouvernement de centre gauche – qui permettent au Chili d'être, en janvier 2010, le premier pays d'Amérique du Sud à être admis à l'OCDE – le scrutin est remporté par Sebastián Piñera Echenique, chef de file de la coalition de droite « Alliance pour le changement », face au candidat démocrate-chrétien de la « Concertation », Eduardo Frei Ruíz-Tagle.
En septembre, l'ex-présidente du Chili prend la tête de « ONU Femmes », une agence des Nations unies chargée de « la lutte contre les inégalités entre les sexes et de l'autonomisation des femmes », créée peu auparavant.