Сельма Оттилия Луиза Лагерлёф родилась в 1858 году родовой усадьбе своих родителей Морбакка. Отец её был отставной военный, мать — учительница. Величайшее влияние на развитие поэтического дарования Лагерлёф оказала среда её детства, проведенного в одной из самых живописных областей Центральной Швеции — Вермланде. Сама же Морбакка — одно из ярких воспоминаний детства писательницы, она не уставала описывать её в своих произведениях, особенно в автобиографических книгах «Морбакка» (1922), «Мемуары ребенка» (1930), «Дневник» (1932).
В трехлетнем возрасте будущая писательница тяжело заболела. Она была парализована и прикована к постели. Девочка сильно привязалась к своим бабушке и тете Нане, которые знали множество сказок, местных преданий и родовых хроник, постоянно рассказывали их больной девочке, лишенной других детских развлечений. Сельма тяжело пережила смерть бабушки в 1863 году, ей казалось, что захлопнулась дверь в целый мир.
В 1867 году Сельма переехала в Стокгольм для лечения в специальной клинике, где ей вернули способность двигаться. Уже в это время она лелеяла мысль о собственном литературном творчестве. В автобиографической новелле «Сказка о сказке» (1908) Лагерлёф описала свои попытки детского творчества. Но, встав на ноги, Сельма должна была задуматься о том, как зарабатывать на жизнь. Семья к тому времени совсем обеднела. В 1881 году Лагерлёф поступила в лицей в Стокгольме, в 1882 в Высшую учительскую семинарию, которую и закончила в 1884 году.
В том же году она стала учительницей в школе для девочек в Ландскруне на юге Швеции. В 1885 году умер отец, а три года спустя любимая Морбакка была продана за долги, там поселились чужие люди.
В эти достаточно сложные годы Сельма работает над своим первым произведением романом «Сага о Йёсте Берлинге». В 1880-е годы реализм в литературе начинает сменяться неоромантическим направлением, в произведениях которого воспевалась жизнь дворянских усадеб, патриархальная старина, земледельческая культура, противопоставлявшаяся городской (промышленной). Это направление было патриотическим, крепко державшимся земли и её живых традиций. Именно в этом ключе и был написан роман начинающей писательницы.
Весной 1890 года газета «Идун» объявила конкурс на произведение, которое заинтересовало бы читателей. В августе 1890 Лагерлёф отослала в газету несколько глав ещё не оконченного произведения и получила первую премию. Писательница завершила роман, который был опубликован полностью в 1891 году. Книга была замечена датским критиком Георгом Брандесом и получила широкое признание. Отказавшись от точного копирования действительности и природы, Лагерлёф отдала дань фантазии, сказочности и обратилась к прошлому, она создала мир, полный празднеств, романтики и красочных приключений. Большинство эпизодов романа, построенного как цепь отдельных историй, основаны на легендах Вермланда, известных писательнице с детства.
В последующий период писательница продолжала работать в сказочной манере, публикуя основанные на фольклорном материале, главным образом на народных легендах, сборники новелл «Невидимые узы» (1894), «Королевы из Кунгахэллы» (1899), романы «Предание о старом поместье» (1899), «Деньги господина Арне» (1904). Несмотря на зло, проклятья, тяготеющие над многими людьми, основная сила, движущая миром по Лагерлёф — доброта и любовь, которые побеждают благодаря вмешательству высшей силы, откровения или даже чуда. Это особенно проявляется в сборнике новелл «Легенды о Христе» (1904).
Некоторые философские, религиозные и моральные проблемы писательница рассматривает на ином материале. В 1895 году Лагерлёф оставила службу и всецело посвятила себя литературному творчеству. В 1895—1896 годах она посетила Италию, в которой происходит действие её романа «Чудеса антихриста» (1897). В романе «Иерусалим» (1901—1902) в центре повествования консервативные крестьянские традиции шведской Далекарлии и их столкновение с религиозным сектантством. Судьба крестьянских семей, которые под давлением руководителей секты отрываются от родной земли и переселяются в Иерусалим, чтобы там ожидать конца света, с глубоким сочувствием изображается писательницей.
Центральное произведение Сельмы Лагерлёф — сказочная книга «Чудесное путешествие Нильса Хольгерссона по Швеции» (швед. Nils Holgerssons underbara resa genom Sverige) (1906—1907) вначале задумывалась как учебная. Написанная в духе демократической педагогики, она должна была в увлекательной форме рассказать детям о Швеции, её географии и истории, легендах и культурных традициях.
Книга построена на народных сказках и легендах. Географические и исторические материалы скреплены здесь сказочной фабулой. Вместе со стаей гусей, ведомой старой мудрой Аккой Кебнекайсе, на спине гуся Мартина Нильс путешествует по всей Швеции. Но это не просто путешествие, это и воспитание личности. Благодаря встречам и событиям путешествия в Нильсе Хольгерссоне просыпается доброта, он начинает волноваться чужими несчастьями, радоваться радостями другого, переживать чужую судьбу как свою. В мальчике появляется способность сопереживать, без которой человек не человек. Защищая и спасая своих сказочных попутчиков, Нильс полюбил и людей, понял горе своих родителей, страдания сирот Оосы и Матса, трудную жизнь бедняков. Из путешествия Нильс возвращается настоящим человеком.
Книга получила признание не только в Швеции, но и во всем мире. В 1907 Лагерлёф была избрана почетным доктором Уппсальского университета, в 1914 году стала членом Шведской академии.
В 1909 году писательнице была вручена Нобелевская премия по литературе «как дань высокому идеализму, яркому воображению и духовному проникновению, которые отличают все её произведения».
Нобелевская премия позволила Лагерлёф выкупить её родную Морбакку, куда она переезжает, и где живёт уже до конца жизни. На родине появляется новый роман из жизни людей Вермланда «Дом Лильекурна» (1911), новые новеллы, сказки, легенды, собранные в сборниках «Тролли и люди» (1915, 1921), антимилитаристский роман «Изгнанник» (1918), сказочно-фантастическая повесть «Возница» (1912). Самое значительное произведение этого периода — роман «Император Португальский» (1914), рисующий жизнь бедняка-тропаря, в результате психологической травмы возомнившего себя императором. Единственное, что связывает его с реальностью — это любовь к дочери, заполняющая все его существо. Этой любовью спасается он сам, спасается и его заблудшая дочь.
Последнее крупное произведение Лагерлёф — трилогия о Лёвеншёльлдах: «Перстень Лёвеншёльдов» (1925), «Шарлотта Лёвеншёльд» (1925) и «Анна Сверд» (1928). Это роман, посвященный истории одной семьи на протяжении пяти поколений. Действие начинается около 1730 и заканчивается в 1860 году. Но роман Лагерлёф отличается от традиционной европейской семейной хроники. Не стал он и историческим, история является для него только фоном. И история, и семейная жизнь Лёвеншёльдов преображается в присущем Лагерлёф духе в цепь таинственных происшествий, роковых предзнаменований и тяготеющих над людьми проклятий. Но как всегда у Лагерлёф добро и справедливость побеждают зло, и на этот раз даже без вмешательства высших сил, силой доброты и воли героев — Карла Артура Экенстедта, Шарлотты Лёвеншёльд и Анны Сверд.
Перед началом второй мировой войны в нацистской Германии её приветствовали как «нордическую поэтессу», однако стоило Лагерлёф начать помогать немецким писателям и деятелям культуры спасаться от нацистских преследований, германское правительство резко её осудило. За год до смерти Лагерлёф помогла оформить шведскую визу немецкой поэтессе Нелли Закс, чем спасла её от нацистских лагерей смерти. Глубоко потрясенная началом мировой войны, а также разразившейся советско-финской войной, она пожертвовала свою золотую нобелевскую медаль Шведскому национальному фонду помощи Финляндии. Правительство нашло необходимые средства другим способом, а медаль писательницы была ей возвращена.
После продолжительной болезни Лагерлёф умерла от перитонита в своем доме в Морбакке в возрасте 81 года.