Будущая поэтесса родилась в 1753 или 1754 году в Западной Африке, предположительно на территории сегодняшней Гамбии или Сенегала. Она была захвачена в рабство и отправлена через океан на корабле Phillis. 11 июля 1761 судно работорговцев вошло в гавань Бостона, и пленники оказались в руках дилера, Джона Эйвери, разместившего в газетах Boston Evening Post и Boston Gazette and Country Journal объявления о предстоящей продаже. Через некоторое время состоялся аукцион, и девочка попала во владение к бостонской семейной чете Уитли. Имя она получила по названию корабля, доставившего её в Америку. Джон Уитли, купивший Филлис, был богатым землевладельцем и коммерсантом, в Бостоне ему принадлежала одна из верфей, склад и судно London Packet. Его жене, Сюзанне, хотелось иметь при себе подругу, которая позаботилась бы о ней в старости.
Новый дом Филлис находился на пересечении King Street и Mackerel Line, в нескольких кварталах от административного центра всей провинции Массачуссетского залива. Помимо заданий по хозяйству девочка под руководством Марии, восемнадцатилетней дочери хозяев, стала овладевать английским языком, учить латынь, читать Библию. Позже Джон Уитли писал, что всего через 16 месяцев она говорила на незнакомом языке и «читала даже самые сложные места из священных писаний, к большому удивлению всех окружающих».
Филлис увлеклась поэзией, в частности, произведениями Александра Поупа. Первое известное её стихотворение было элегией: «На смерть преподобного доктора Сюэлла, в дни его болезни, 1765» (On the Death of the Rev. Dr. Sewell, when sick, 1765). Преподобный Джозеф Сюалл (Sewall), имя которого она написала с ошибкой, действительно был в те дни при смерти, однако позже пошёл на поправку и прожил ещё четыре года. Филлис также не менее четырёх раз переписывала эту элегию. Хозяева благоприятствовали поэтическим опытам Филлис.
21 декабря 1767 года в газете Newport Mercury впервые опубликована одна из работ Филлис, поэма «On Messrs. Hussey and Coffin». Юной поэтессе в это время было около 14 лет. В следующем году 15-летняя Филлис в стихах восхвалила короля Георга III ("To the King's Most Excellent Majesty") за отмену Акта о гербовом сборе.
5 марта 1770 года неподалёку от дома Филлис на Кинг-стрит произошло кровавое столкновение колонистов с британскими солдатами, вошедшее в историю под названием «Бостонская резня». Вскоре после этого на страницах Boston Evening Post появилась поэма Филлис «О столкновении на Кинг-стрит вечером 5 марта 1770 года» («On the Affray in King — Street, on the Evening of the 5th of March, 1770»), в котором она прославляла четырёх павших бостонцев, в том числе афроамериканца Криспуса Аттукса. Однако об авторстве этой поэмы знали только друзья Филлис — оно было опубликовано анонимно.
30 сентября 1770 скончался известный английский проповедник Джордж Уайтфильд, многократно посещавший США и незадолго до этого читавший проповеди перед массами народа на улицах Бостона. Это событие потрясло Филлис, и она выразила свои чувства в элегии «На смерть преподобного Джорджа Уайтфильда» (On The Death Of Rev. Mr. George Whitefield), опубликованной 2 октября.
Элегия принесла Филлис Уитли известность сначала в северных штатах, чьи газеты одна за другим перепечатывали её текст, а затем и в Англии, после публикации в 1771 году в Лондоне. Сюзанна Уитли решила напечатать сборник поэзии Филлис и подала объявления в газеты, однако число откликнувшихся оказалось недостаточным, чтобы заинтересовать издателей. Многие выражали сомнения в том, что негритянка-рабыня способна к столь высокому умственному труду, каким является стихосложение. Джон Уитли решил развеять сомнения радикальным образом — он пригласил восемнадцать известных и влиятельных людей, чтобы те могли сами судить, поговорив с Филлис, насколько реален её талант. Среди них был и Джон Хэнкок, будущий президент Второго Континентального Конгресса, принявшего Декларацию Независимости. После длительной беседы с Филлис осенью 1772 года они поставили свои подписи под заявлением, утверждающим их твёрдую уверенность в её авторстве.
Чёрная рабыня-поэтесса привлекла внимание многих известных людей в Лондоне; даже Бенджамин Франклин, пытавшийся в те дни уладить всё ухудшающиеся отношения колоний с Короной, нанёс ей краткий визит. Более того, она была приглашена на аудиенцию к Георгу III. Однако внезапное сообщение о тяжёлой болезни Сюзанны заставило Филлис свернуть все планы и уже в конце июля устремиться в Бостон. В марте следующего года Сюзанна скончалась, успев узнать о выходе в печать сборника сочинений Филлис — первой в истории книги стихов, написанных человеком с чёрным цветом кожи на английском языке. Книга обрела широкую известность.
В 1778 году Филлис вышла замуж за афроамериканца Джона Питерса, свободного торговца бакалейными товарами. Вскоре после свадьбы бизнес Питерса пришёл в упадок, а бывший хозяин Филлис, Джон, скончался. С 1779 года Филлис безуспешно пыталась издать новую книгу, содержащую еще не печатавшиеся тридцать три стихотворения и тринадцать писем. Следующие несколько лет принесли гибель двух детей, а муж то и дело покидал её. Филлис брала чёрную работу, устраивалась мойщицей полов в пансион, слабое здоровье и непривычка к изматывающему физическому труду угнетали её. Она всё меньше писала, известность её все более становилась предметом истории. 5 декабря 1784 года 31-летняя Филлис Уитли скончалась в одном из пансионов Бостона, вскоре за ней последовал недавно рождённый ребёнок. Мать и дитя похоронили в одной могиле, местоположение которой осталось неизвестным. Исчез и неизданный второй том стихов.
Вышедший в 1773 году сборник стихов Филлис вызвал множество реакций современников, разнящихся как в оценке качества её поэзии, так и в оценке автора. Вольтер приводил её в качестве примера того, что и негры способны к стихосложению. С другой стороны, будущий президент США Томас Джефферсон писал в «Заметках о штате Виргиния», утверждая о видимом отсутствии творческого воображения у негров:
В наше время в Бостоне есть памятник Филлис, в честь неё также назван один из корпусов Бостонского филиала Массачусетского Университета. С 1919 года существует Ассоциация Филлис Уитли, помогающая молодым афроамериканцам.
В начале XXI века было обнаружено дотоле неизвестное письмо Филлис Уитли, адресованное её другу, рабу Обуру Таннеру, и датированное 14 февраля 1776 года. Послание было продано на аукционе Swann Galleries за 253 тысячи долларов.