Née Catherine Marie-Agnès Fal de Saint Phalle, Niki de Saint Phalle voit le jour en France en 1930. À ses 3 ans, sa famille part s'installer aux États-Unis. Elle passera son enfance et son adolescence à New York. Jeune adulte, elle entame une carrière florissante de mannequin et fait les couvertures de Vogue et Life Magazine.

À 18 ans, elle s'enfuit pour épouser l'écrivain Harry Mathews, un ami d'enfance. Le couple s'installe en Europe dans les années 1950 pour y vivre et y travailler. Il prend principalement ses quartiers à Paris. Deux enfants naissent de cette union : Laura, en 1951, et Phillip, en 1955. En 1953, après une hospitalisation pour dépression nerveuse, Niki de Saint Phalle se met à la peinture. Cette forme de thérapie va l'aider à surmonter l’épreuve. C’est à ce moment charnière qu’elle décide de devenir artiste.

En 1960, elle se sépare de Harry Mathews, lui laissant la garde de leurs deux enfants, pour poursuivre une carrière artistique. Elle prend un atelier Impasse Ronsin à Paris, où elle s’entoure d’autres artistes dont Jean Tinguely, qui deviendra son fidèle collaborateur et qu’elle épousera par après en secondes noces. Seule femme du groupe avant-gardiste des Nouveaux Réalistes, elle côtoie de grands noms de l’époque, dont Jasper Johns et Robert Rauschenberg. Les œuvres de Niki de Saint Phalle figurent aux cimaises de grandes expositions au Musée d’Art moderne de la Ville de Paris en 1960 et dans The Art of Assemblage au Musée d’Art moderne de New York en 1961.

Au milieu des années 1960, elle se lance dans la création de ses œuvres désormais emblématiques, «Les Nanas».En 1966, Niki collabore avec Jean Tinguely et Per Olof Ultvel à l'élaboration de Hon (Elle en suédois) pour le Moderna Museet de Stockholm. Son œuvre, une Nana monumentale allongée, occupe la totalité de la salle d'exposition. Les visiteurs peuvent y pénétrer et y déambuler. C’est à cette époque qu’elle élabore ses premières sculptures en plein air, comme Le Paradis fantasque (avec Tinguely) pour le pavillon français à l’Expo universelle de 1967 à Montréal. Dans les années 1970, elle est sollicitée pour de nombreux projets architecturaux à travers le monde, dont Le Golem à Jérusalem (1972) et Le Dragon de Knokke (1973-75) en Belgique. En 1975, à l’occasion d'un festival des arts, le Palais des Beaux-Arts de Bruxelles accroche à sa façade sa pièce monumentale Last Night I Had a Dream.

Au milieu des années 1970, une amie d’enfance lui offre un terrain en Toscane où Niki de Saint Phalle réalise enfin son rêve : créer un jardin de sculptures monumentales - Le Jardin des Tarots. Les travaux commencent en 1980. Au cours des dix années qui vont suivre, Niki de Saint Phalle va, avec l'aide d'amis et de collègues, travailler sur le projet. En 1982, elle s'installe dans L’Impératrice, un bâtiment en forme de sphinx qui fait office d'atelier et de domicile. Elle crée une série de sculptures épurées baptisées The Skinnies, qui font l’effet de dessins-sculptures linéaires dans l'espace. Le Jardin des Tarots ouvrira finalement ses portes au public en 1998.

En 1980, le Musée national d'art moderne du Centre Georges Pompidou à Paris lui consacre une grande rétrospective qui parcourt l'Europe. En 1982, elle travaille avec Jean Tinguely sur la Fontaine Stravinsky sur l’esplanade du Centre Georges Pompidou à Paris, en hommage au compositeur Igor Stravinsky. C'est à cette époque qu'elle commence à souffrir des premiers accès récurrents et invalidants de polyarthrite rhumatoïde.

Au milieu des années 1990, elle s'installe à La Jolla (Californie) pour des raisons de santé, mais elle continue à accepter de nombreuses commandes publiques dans le monde entier. En 2000, elle réalise Queen Califia’s Magical Circle à Escondido (Californie) en 2000. Ce sera son dernier grand projet. Niki s'éteint en 2002 à l'âge de 71 ans à La Jolla (Californie).