Белла Ахмадулина родилась 10 апреля 1937 года в Москве. Её отец — татарин, заместитель министра, а мать — русская итальянского происхождения, работавшая переводчицей в КГБ. Начала писать стихи ещё в школьные годы.
В 1957 г. подверглась критике в «Комсомольской правде». Окончила Литературный институт в 1960 г. Исключалась из института за отказ поддержать травлю Бориса Пастернака, потом была восстановлена.
В 1964 году снялась в роли журналистки в фильме Василия Шукшина «Живёт такой парень». Лента получила «Золотого льва» на кинофестивале в Венеции. В 1970 году Ахмадулина появилась на экранах в фильме «Спорт, спорт, спорт».
Первый сборник стихотворений, «Струна», появился в 1962 г. Далее последовали поэтические сборники «Озноб» (1968), «Уроки музыки» (1970), «Стихи» (1975), «Метель» (1977), «Свеча» (1977), «Тайна» (1983), «Сад» (Государственная премия СССР, 1989). Для поэзии Ахмадулиной характерны напряжённый лиризм, изысканность форм, очевидная перекличка с поэтической традицией прошлого.
В 1970-е поэтесса посетила Грузию, с тех пор эта земля заняла в её творчестве заметное место. Ахмадулина переводила Н. Бараташвили, Г. Табидзе, И. Абашидзе и других грузинских авторов.
В 1979 г. Ахмадулина участвовала в создании неподцензурного литературного альманаха «Метрополь». Ахмадулина не раз высказывалась в поддержку преследуемых властями советских диссидентов — Андрея Сахарова, Льва Копелева, Георгия Владимова, Владимира Войновича. Ее заявления в их защиту публиковались в «Нью-Йорк таймс», неоднократно передавались по «Радио Свобода» и «Голосу Америки».
Участвовала во многих мировых поэтических фестивалях, в том числе в Международном празднике поэзии в Куала-Лумпуре (1988).
В 1993 году подписала «Письмо сорока двух».
Перу Ахмадулиной принадлежат воспоминания о поэтах-современниках, а также эссе о А. С. Пушкине и М. Ю. Лермонтове.
В 2006 г. Ахмадулина стала героем книги «Автограф века», в которой ей посвящена одна из глав.
В последние годы Белла Ахмадулина тяжело болела, практически ничего не видела и передвигалась на ощупь.
Скончалась вечером 29 ноября 2010 года в машине «скорой помощи». По словам мужа поэтессы Бориса Мессерера, смерть наступила вследствие сердечно-сосудистого кризиса. Президент РФ Д. А. Медведев выразил официальные соболезнования родным и близким поэтессы.
Прощание с Беллой Ахмадулиной состоялось 3 декабря 2010 года в Центральном Доме литераторов в Москве. В этот же день она была похоронена на Новодевичьем кладбище.
Ахмадулина была первой женой Евгения Евтушенко, позже — женой Юрия Нагибина. От сына балкарского классика Кайсына Кулиева — Эльдара Кулиева в 1973 году она родила дочку Елизавету. В 1974 г. вышла замуж за театрального художника Бориса Мессерера.
Дочь Елизавета Кулиева, как и её мать, закончила Литературный институт.
Вторая дочь, Анна, окончила Полиграфический институт, оформляет книги в качестве иллюстратора.
В последние годы Белла Ахмадулина жила в Переделкино с мужем.
Иосиф Бродский называл Ахмадулину «несомненной наследницей лермонтовско-пастернаковской линии в русской поэзии».
Ия Саввина, которая озвучила Пятачка в мультфильме про Винни-Пуха, взяла его образ с Беллы Ахмадулиной. После выхода мультфильма на экраны между актрисой и поэтессой состоялся телефонный разговор, в котором Белла Ахмадулина в ироничной и шутливой форме поблагодарила Ию Саввину за то, что та подложила ей «свинью».