В семнадцать лет вместе с семьей переехала в США, работала в Голливуде. В 1921 познакомилась с Эдвардом Уэстоном, в 1922 отправилась с ним в Мексику. Подружилась с Риверой, Сикейросом, Фридой Кало, вступила в Коммунистическую партию Мексики (1927). В 1930 по подозрению в подготовке покушения на президента Мексики Паскуаля Ортиса Рубио была выдворена из страны. Приехала в Германию, затем отправилась в СССР. Принимала участие в работе центральных органов МОПРа. В 1934 уехала в Испанию. С 1936 и до конца Гражданской войны была в интербригадах.
В 1939 вместе с изгнанниками из Испании вернулась в Мексику. Вместе с основателем кубинской коммунистической партии в изгнании Хулио Антонио Мельей занималась активной политической деятельностью, выступала в рядах антифашистов. В 1940 президент Ласаро Карденас аннулировал ее обвинение в подготовке убийства мексиканского президента.
При неясных обстоятельствах умерла от инфаркта. На могильном камне Тины Модотти в Мехико выбиты посвященные ей стихи Пабло Неруды.
Как фотограф близка к поискам Александра Родченко. В 1999 в московском Манеже прошла выставка фотографий Тины Модотти.
В игровом фильме Джулии Тэймор Фрида (2002) роль Тины исполнила Эшли Джадд.
Вымышленные факты биографии Тины Модотти использованы в комедийном фильме Воры и проститутки (2004).