Tanulmányait a Wellesley és a Radcliffe College-ban végezte, utána a Harvard College obszervatóriumában kapott állást. A kettős csillagok megfigyelésével és színképelemzéssel foglalkozott, munkája nemzetközi viszonylatban is komoly érdeklődésre tartott számot. 1911-ben az obszervatórium kurátorának nevezték ki. Részt vett a nők választójogáért folytatott harcban, a National Women's Party tagja volt. 

Az első nő volt, aki a Gröningeni Egyetemen doktori címet szerzett, 1925-ben Oxfordban tiszteletbeli doktorátust kapott. Sok cikke és kilenc könyve jelent meg. 1923-ban a tizenkét legnagyobb élő amerikai nő közé választották. 1931-ben ő az első nő, akit a Tudományos Akadémia az – igen ritkán osztogatott – Henry Draper aranyéremmel tüntetett ki. Együtt dolgozott Cecilia Payne Gaposchkinnal is. 

A Hold egyik krátere is viseli a nevét. 1933-ban megalapította a róla elnevezett díjat, amelyet minden évben egy kiemelkedő teljesítményt nyújtó nő kap meg. 1934-ben Cecilia Payne Gaposchkin kapta, 1949-ben Helen Sawyer Hogg. 

1940-ben nyugdíjba ment, de kutatómunkáját a következő évben bekövetkezett haláláig folytatta.

Kollégájával, Henrietta Swan Leavitt-tel 1913-ban