Жозефина Бейкер — внебрачная дочь музыканта-ударника еврейского происхождения Эдди Карсона (по некоторым данным) и прачки-негритянки Кэрри Макдональд. Девочка росла в очень скромных условиях. В 1907 году родился брат Жозефины Ричард, а их отец покинул семью. В 1911 году мать Жозефины вышла замуж второй раз, в этом браке родились ещё две сестры Жозефины. Отчим Жозефины и Ричарда Артур Мартин усыновил детей. 2 июля 1917 года семья Жозефины пережили резню, в результате которой по разным данным в Сент-Луисе погибло более сотни людей. Эти события потрясли Жозефину, и впоследствии она стала ярым борцом с расизмом. В возрасте 13 лет мать выдала Жозефину замуж за Вилли Уэллса, который был намного старше её. В тот же год состоялись первые выступления Жозефины статисткой в «Театре Букер Вашингтон» (англ. Booker Washington Theatre) в Сент-Луисе. Брак с Уэллсом продержался всего лишь несколько недель. В 1921 году Жозефина вышла замуж за проводника на железной дороге Вилли Бейкера. Разведясь с ним в 1925 году, она продолжала носить его фамилию всю жизнь.
Творческая карьера Жозефины началась в 16 лет в «Стандарт Театре» (англ. Standard Theatre) в Филадельфии. Позднее она перебралась в Нью-Йорк и получила работу в водевиле, с которым она ездила по стране в течение полугода. С 1923 по 1924 года Жозефина — хористка в музыкальной комедии «Shuffle Along» в Нью-Йорке и выступала в негритянском ревю «The Chocolate Dandies». После своих выступлений в нью-йоркском клубе «Plantation Club» Жозефина получила работу в «La Revue N?gre», премьера которого состоялась в Париже 2 октября 1925 года в «Театре на Елисейских полях».
Своими танцем Жозефина стремительно завоевала признание парижской публики, которая в её исполнении впервые увидела танец чарльстон. О Жозефине говорили, что она уже не гротескная чернокожая танцовщица, а чёрная Венера, посещавшая поэта Бодлера в его снах. Далее представление «La Revue N?gre» перемещалось в Брюссель и Берлин. В 1926-1927 годах Жозефина Бейкер стала звездой Фоли-Бержер. Она выступала в двух ревю в своей знаменитой банановой юбочке. После выступления в Берлине немецкие нудисты, для которых Жозефина стала символом свободы, предложили ей посетить их сообщество, но получили вежливый отказ. Примечателен тот факт, что в её танцах были заметны элементы хастла, степа, хип-хопа, брейка, которые появятся только годы спустя.
В конце 1926 года с большой помпой Жозефина вышла замуж за сицилийского каменотёса Джузеппе Пепито Абатино, который к этому времени уже принимал участие в её шоу. Абатино, выдававший себя за графа Ди Альбертини, стал любовником Жозефины и её менеджером. Для публики Жозефина стала таким образом первой афроамериканкой, носившей дворянский титул. Австрийский архитектор Адольф Лоос создал в 1928 году проект дома Жозефины Бейкер с мраморным фасадом в чёрно-белую полосу, который однако никогда не был построен. Из-за её невероятных костюмов и танцев Жозефине Бейкер было запрещено выступать в Вене, Праге, Будапеште и Мюнхене, что делало танцовщицу ещё более привлекательной для публики. На борту корабля «Джулио Чезаре» (Giulio Cesare) Жозефина пела в каюте Ле Корбюзье, который рисовал её нагой, а после этого создавал свои новые здания в духе её танцев. После встречи с Жозефиной Корбюзье построил свою виллу «Савой» (фр. Villa Savoye).
После турне по Восточной Европе и Южной Америке Жозефина всё больше выступала в качестве певицы. Её самыми успешными песнями стали «J’ai deux amours», «Aux ?les Hawai» и «Pretty Little Baby». Жозефина Бейкер играла в главной роли в фильмах «La Sir?ne des Tropiques» (1927 год), «Zouzou» (1934 год) и «Tam-Tam» (1935 год). Она быстро стала самой успешной американкой в развлекательном жанре во Франции, в то время как в США она подвергалась расистским нападкам. В 1936 году Бейкер ждал провал с её шоу «Ziegfeld Follies», причинивший Жозефине массу страданий.
В 1937 году Жозефине Бейкер было присвоено французское гражданство. Во время Второй мировой войны она находилась во Франции и Северной Африке, выступая перед французскими войсками и работая на движение Сопротивления и разведку. Жозефина получила удостоверение лётчика, стала лейтенантом и после войны была награждена медалями Сопротивления (с розеткой) и Освобождения, знаком Военного Креста и, наконец, в 1961 году — орденом Почётного легиона. В 1947 году Жозефина Бейкер вышла замуж за руководителя своего оркестра Жо Буйона. Они прожили вместе до 1957 года, но с годами их семейная жизнь дала трещину, и они развелись в 1961 году.
Проживая во Франции, Жозефина Бейкер ещё с 1950-х годов поддерживала движение за гражданские права в США. Её протест против расизма нашёл весьма оригинальное выражение: Жозефина усыновила 12 сирот с разным цветом кожи. Таким образом у неё появилась семья, с которой она иногда в стеснённых финансовых условиях проживала в замке Les Milandes в Перигоре в южной Франции. В 1956 году Жозефина Бейкер заявила об уходе со сцены, но уже в 1961 году отпраздновала своё возвращение, а в 1973 году успешно выступила в Карнеги-Холле.
8 апреля 1975 года состоялась премьера шоу «Jos?phine», которым знаменитая танцовщица отпраздновала пятидесятилетие своей сценической деятельности. Вскоре после него у Жозефины Бейкер произошло кровоизлияние в мозг, от последствий которого она скончалась 12 апреля 1975 года. Жозефина стала первой американкой, похороненной во Франции с воинскими почестями: её похоронили в Монако.
Жозефина Бейкер написала несколько автобиографических книг, каждый раз излагая новые версии своей карьеры и личной жизни.