胡蘭畦1901年出生於成都。1920年，胡蘭畦從成都毓秀女子師範學校畢業，成為許多男人追逐的物件。父親將她許配給了表哥楊固之，由於人生觀和志趣相差甚遠，兩年後，他們解除了婚姻關係。
胡蘭畦與陳毅相約“互等三年”胡蘭畦才貌雙全，據說，四川軍閻楊森曾想娶她做小老婆，被她斷然拒絕。作家茅盾聞聽胡蘭畦的故事後，寫出了他的第一部長篇小說《虹》。
不久，胡蘭畦考入川南師範學校讀書。1922年5月4日，胡蘭畦加入惲代英在瀘州組織的馬克思主義研究會。
1922年，從法國勤工儉學回來的陳毅擔任重慶《新蜀報》的主筆，並寫出了大量思想激進的詩文。胡蘭畦就是受到他的文章鼓舞的青年中的一個。她直接到報館尋找陳毅，從此二人成了親密的朋友。
1927年，她投考武漢中央軍事政治學校，被錄取編入女生隊。
1927年2月，武漢中央軍事政治學校正式開學，陳毅也被派到學校任中共黨團書記。胡蘭畦與陳毅在軍校重逢。
據考證，胡蘭畦來到武漢前後，曾與川軍青年軍官陳夢雲有過一段婚姻。
大革命失敗後，胡蘭畦代理漢口市特別黨部婦女部長和武漢總工會女工運動委員會主任。1929年，她被蔣介石點名驅逐，後赴歐洲考察社會救濟事業，並在德國加入中國共產黨。
1933年春，大批共產黨員和進步人士被捕，胡蘭畦也被關入女牢。在宋慶齡和魯迅等人的抗議下，胡蘭畦於三個月後獲釋。隨後，她在法國發表了回憶錄《在德國女牢中》，文章立即被譯成俄、英、德、西四種文字，使胡蘭畦的名聲傳遍了歐洲。
全面抗戰爆發後，胡蘭畦組建了上海勞動婦女戰地服務團，並輾轉於八個省的抗日前線從事抗戰宣傳。由於影響甚大，胡蘭畦被國民政府軍委會任命為少將指導員。
1938年初，胡蘭畦率領服務團來到南昌。此時，項英、陳毅等人也在南昌組建新四軍。自大革命失敗後，胡蘭畦與陳毅已經有十年沒見面了，久別重逢，兩人的喜悅之情難以言表。胡蘭畦講述了這些年的經歷，也提到了與陳夢雲離婚的情況。
對於兩人的戀情，《民國大腕》這樣描述：“陳毅在南昌與胡蘭畦欲訂白首之盟，組織上卻不同意，說二人倘若結婚，胡的黨員身份就暴露了，二人只得痛哭而別。陳毅曾致信胡蘭畦‘為了革命，我們就吃下這杯苦酒吧！假如我們三年內不能結合，就各人自由，互不干涉。”'
在三年多時間裡，胡蘭畦率領服務團的姑娘們，足跡遍及上海、江蘇、安徽、浙江、江西、湖南、湖北、河南等各個戰場，行程兩萬多裡，被譽為“戰地之花”“當代花木蘭”。
1947年6月，國民黨的報紙用觸目驚心的大幅標題刊登“陳毅陣亡”，還用大幅版面詳細描述“陳毅追悼會”的經過。胡蘭畦得知後十分傷感。後來她接到陳毅父母來信，便決心贍養二老，她把成都東門外的一處果園、田地和房屋，準備給二老做養老之用。
1949年，上海解放，陳毅當了市長。胡蘭畦寫信要見他，接待她的卻是副市長潘漢年，這時，陳毅已兒女成群了。
胡蘭畦再沒有婚育，為解寂寞，她收養了妹妹的女兒。解放後，她被安排到北京工業學院從事後勤工作。命運多舛的她在“文革”中被錯劃為右派。1978年平反後，胡蘭畦重新入黨，併成為全國政協委員。
1994年12月13日，胡蘭畦在成都逝世，享年九十三歲。她的一生歷經坎坷，正如她自己在回憶錄裡所說：“這輩子只知道趕著時代大潮走，在浪尖上奔呀、跑呀，有時被礁石碰得頭破血流，也只能獨自舔著流血的傷口。”