胡兰畦1901年出生于成都。1920年，胡兰畦从成都毓秀女子师范学校毕业，成为许多男人追逐的对象。父亲将她许配给了表哥杨固之，由于人生观和志趣相差甚远，两年后，他们解除了婚姻关系。
胡兰畦与陈毅相约“互等三年”胡兰畦才貌双全，据说，四川军阎杨森曾想娶她做小老婆，被她断然拒绝。作家茅盾闻听胡兰畦的故事后，写出了他的第一部长篇小说《虹》。
不久，胡兰畦考入川南师范学校读书。1922年5月4日，胡兰畦加入恽代英在泸州组织的马克思主义研究会。
1922年，从法国勤工俭学回来的陈毅担任重庆《新蜀报》的主笔，并写出了大量思想激进的诗文。胡兰畦就是受到他的文章鼓舞的青年中的一个。她直接到报馆寻找陈毅，从此二人成了亲密的朋友。
1927年，她投考武汉中央军事政治学校，被录取编入女生队。
1927年2月，武汉中央军事政治学校正式开学，陈毅也被派到学校任中共党团书记。胡兰畦与陈毅在军校重逢。
据考证，胡兰畦来到武汉前后，曾与川军青年军官陈梦云有过一段婚姻。
大革命失败后，胡兰畦代理汉口市特别党部妇女部长和武汉总工会女工运动委员会主任。1929年，她被蒋介石点名驱逐，后赴欧洲考察社会救济事业，并在德国加入中国共产党。
1933年春，大批共产党员和进步人士被捕，胡兰畦也被关入女牢。在宋庆龄和鲁迅等人的抗议下，胡兰畦于三个月后获释。随后，她在法国发表了回忆录《在德国女牢中》，文章立即被译成俄、英、德、西四种文字，使胡兰畦的名声传遍了欧洲。
全面抗战爆发后，胡兰畦组建了上海劳动妇女战地服务团，并辗转于八个省的抗日前线从事抗战宣传。由于影响甚大，胡兰畦被国民政府军委会任命为少将指导员。
1938年初，胡兰畦率领服务团来到南昌。此时，项英、陈毅等人也在南昌组建新四军。自大革命失败后，胡兰畦与陈毅已经有十年没见面了，久别重逢，两人的喜悦之情难以言表。胡兰畦讲述了这些年的经历，也提到了与陈梦云离婚的情况。
对于两人的恋情，《民国大腕》这样描述：“陈毅在南昌与胡兰畦欲订白首之盟，组织上却不同意，说二人倘若结婚，胡的党员身份就暴露了，二人只得痛哭而别。陈毅曾致信胡兰畦‘为了革命，我们就吃下这杯苦酒吧！假如我们三年内不能结合，就各人自由，互不干涉。”'
在三年多时间里，胡兰畦率领服务团的姑娘们，足迹遍及上海、江苏、安徽、浙江、江西、湖南、湖北、河南等各个战场，行程两万多里，被誉为“战地之花”“当代花木兰”。
1947年6月，国民党的报纸用触目惊心的大幅标题刊登“陈毅阵亡”，还用大幅版面详细描述“陈毅追悼会”的经过。胡兰畦得知后十分伤感。后来她接到陈毅父母来信，便决心赡养二老，她把成都东门外的一处果园、田地和房屋，准备给二老做养老之用。
1949年，上海解放，陈毅当了市长。胡兰畦写信要见他，接待她的却是副市长潘汉年，这时，陈毅已儿女成群了。
胡兰畦再没有婚育，为解寂寞，她收养了妹妹的女儿。解放后，她被安排到北京工业学院从事后勤工作。命运多舛的她在“文革”中被错划为右派。1978年平反后，胡兰畦重新入党，并成为全国政协委员。
1994年12月13日，胡兰畦在成都逝世，享年九十三岁。她的一生历经坎坷，正如她自己在回忆录里所说：“这辈子只知道赶着时代大潮走，在浪尖上奔呀、跑呀，有时被礁石碰得头破血流，也只能独自舔着流血的伤口。”