Była nieślubną córką Barbary Iłłakowiczówny i Klemensa Zana syna Tomasza Zana „Promienistego”, bliskiego przyjaciela Adama Mickiewicza. Została wcześnie osierocona i wychowywała się u krewnych, przygarnęła ją Zofia Buyno z Plater-Zyberków, która stała się swego rodzaju przybraną matką poetki.
W latach 1908–1909 studiowała w Oksfordzie, a od 1910 do 1914 roku na Uniwersytecie Jagiellońskim brała wówczas udział w strajku studenckim. W latach 1915–1917 służyła jako sanitariuszka w armii rosyjskiej. Od 15 listopada 1918 pracowała w MSZ, w latach 1926–1935 była [>>] sekretarką Józefa Piłsudskiego, a po jego śmierci znów w MSZ. Radczyni referatu politycznego w Gabinecie Ministra MSZ w 1938. W latach 1936–1938 odbyła tournée po Europie z wykładem o marszałku Piłsudskim. W okresie międzywojennym jej utwory publikowała prasa literacka w tym między innymi wydawana w Poznaniu Tęcza. W 1939 ewakuowała się do Rumunii, gdzie spędziła wojnę. W 1947 wróciła do Polski i zamieszkała w Poznaniu.
Należała do najwybitniejszych postaci życia literackiego Warszawy w dwudziestoleciu międzywojennym. Wyrazista osobowość, żywa inteligencja, siła woli, elegancja, także pewna kapryśność i nieprzewidywalność w kontaktach z ludźmi czyniły z niej osobę fascynującą towarzysko, chociaż trudną. We wczesnej młodości fascynował ją ruch feministyczny, żywy już w okresie modernizmu. Zawsze jednak, głęboko wierząca, czuła silną więź z duchowością chrześcijańską. Iłłakowiczówna miała rozległy krąg przyjaciół, wśród których byli Witkacy, Julian Tuwim po jego śmierci poświęciła mu wzruszające wspomnienie Pozgonne Tuwimowi, Maria Dąbrowska porównująca ją w swym Dzienniku do hiszpańskiej mistyczki św. Teresy z Avila. Po wojnie, pozbawiona pracy etatowej łudziła się, że w nowym systemie politycznym odzyska jednak posadę w MSZ, osiadła w Poznaniu, zajmując się przekładami literatury europejskiej Goethe, Tołstoj i nauczaniem języka angielskiego oraz śledząc bacznie życie polityczne po wypadkach poznańskich w czerwcu 1956 r., kiedy w krwawych starciach ginęli demonstrujący robotnicy, napisała wiersz Rozstrzelano moje serce w Poznaniu. W ostatnich latach życia, po nieudanej operacji jaskry, była ociemniała. Pochowana na Cmentarzu Powązkowskim w Warszawie kwatera 81-3-24.
Jako poetka Iłłakowiczówna ujawnia oryginalną wyobraźnię magiczną, zmysł obserwacji, malarską i dynamiczną niemal filmową zdolność opisu, niezwykłe, prawie muzyczne, wyczucie rytmu tekstu, operuje też groteską, a czasem naiwną, dziecięcą tonacją wypowiedzi. Jej fantazję ukształtowało dzieciństwo, spędzone w dzikim, fascynującym pejzażu północnej Litwy. Wpłynęła też na nią tradycja literacka: barok np. Józef Baka i romantyzm. Pośród poetów polskich XX wieku pokrewny jej wydaje się symbolista Bolesław Leśmian, jednak Iłłakowiczówna w swym wyrazistym obrazowaniu omija język symboli. Związana towarzysko z grupą „Skamander” zachowała odrębny i niepowtarzalny charakter swej poezji. Odmiennie też niż inna poetka z kręgu „Skamandra”, Maria Pawlikowska-Jasnorzewska, rzadko ujawniała bezpośrednią, kobiecą emocjonalność. Uprawiała więc bardzo szczególną poezję metafizyczną. Stała się mistrzynią wiersza tonicznego tonizm, największą w poezji polskiej obok Jana Kasprowicza. Debiutowała w okresie Młodej Polski tom Ikarowe loty, 1911, dojrzałość artystyczną osiągnęła w dwudziestoleciu międzywojennym, a ostatni autorski tom wierszy wydała już na starość Szeptem, 1966.