Khánh Ly tên thật là Nguyễn Thị Lệ Mai (cũng có khi bà lấy tên Phạm Thị Lệ Mai theo họ Phạm của người cha dượng) sinh ngày 6 tháng 3 năm 1945 tại Hà Nội. Năm 1956, bà theo mẹ di cư vào miền Nam. Khi còn ở Hà Nội, dù chưa tới 9 tuổi nhưng Khánh Ly đã tham dự một cuộc thi hát với bài Thơ Ngây của nhạc sĩ Anh Việt nhưng không được giải gì. Cuối năm 1956, mới 11 tuổi, Khánh Ly một mình đi nhờ xe chở rau từ Đà Lạt về Sàigòn tham dự cuộc thi tuyển lựa ca sĩ nhi đồng do đài Pháp Á tổ chức tại rạp Norodom – bà trình bày ca khúc Ngày Trở Về của nhạc sĩ Phạm Duy và đoạt giải nhì, sau “thần đồng” Quốc Thắng.

Nổi tiếng tại miền Nam trước năm 1975 và mối quan hệ với Trịnh Công Sơn
Năm 1962, Khánh Ly thực sự bước chân vào sự nghiệp ca hát, bà hát cho phòng trà Anh Vũ trên đường Bùi Viện, Sài Gòn. Cuối năm đó cô chuyển lên sống tại Đà Lạt và hát cho các phòng trà ở đó. Năm 1964, Khánh Ly gặp nhạc sĩ Trịnh Công Sơn, lúc đó còn chưa nổi tiếng, ông mời bà về Sài Gòn biểu diễn. Lúc đó, vì không muốn rời Đà Lạt nên Khánh Ly từ chối lời đề nghị của người nhạc sĩ trẻ đó. Năm 1967, do tình cờ bà gặp lại Trịnh Công Sơn tại Sài Gòn và từ đó, Khánh Ly cùng Trịnh Công Sơn đã trở thành một hiện tượng của tân nhạc Việt Nam.

Khánh Ly và Trịnh Công Sơn đã có những buổi trình diễn ngoài trời không công và không thù lao cho sinh viên tại Quán Văn (mà theo Khánh Ly, đó là một quán lá sơ sài dựng trên một nền gạch đổ nát) nằm trên bãi đất rộng sau trường Đại học Văn Khoa Sài Gòn. Họ tiếp tục trình diễn khắp nơi ở miền Nam Việt Nam, nhất là trong sân cỏ trường đại học, nơi Khánh Ly được mệnh danh là “Nữ hoàng Chân Đất” hay “Nữ hoàng Sân Cỏ”. Khánh Ly chính là ca sĩ Việt Nam đầu tiên tổ chức show diễn riêng của mình.

Về biệt danh “Nữ hoàng chân đất”, theo lời thuật lại của Khánh Ly trong băng Video Một Đời Việt Nam thực hiện năm 1991, khi chưa có kinh nghiệm ca hát và lần đầu tiên xuất hiện trước một đám đông khoảng một ngàn người, Khánh Ly đã không giữ được bình tĩnh và đứng không vững, phải vịn vào vai Trịnh Công Sơn. Trịnh Công Sơn nói “bỏ tay ra và đứng hát cho nghiêm chỉnh”, vì run quá, nên Khánh Ly cởi bỏ đôi giày cao gót và đứng chân đất và nhờ đó, đã có thể bình tĩnh để trình bày hết bài hát của Trịnh Công Sơn trong suốt một đêm đó, khoảng 30 đến 40 bài hát trong một đêm. Khánh Ly kể về thời kỳ những năm 60 cơ cực, đói khổ nhưng đầy hạnh phúc ấy: “Thực sự tôi rất mê hát. Không mê hát thì tôi không có đủ can đảm để đi hát với anh Sơn mười năm mà không có đồng xu, cắc bạc nào. Thời ấy, tôi phải chịu đói, chịu khổ, chịu nghèo, không cần biết đến ngày mai, không cần biết đến ai cả, mà vẫn cảm thấy mình cực kỳ hạnh phúc, cảm thấy mình sống khi được hát những tình khúc của Trịnh Công Sơn”.

Từ năm 1967 đến 1975, Khánh Ly hợp tác với nhiều hãng đĩa tại Sài Gòn, thâu âm nhiều bài hát trong các dĩa nhạc của các hãng dĩa Việt Nam, Sóng Nhạc, Tình Ca Quê Hương, Dư Âm, Nhạc Ngày Xanh, Continental và thâu vào băng Akai của Chương trình Phạm Mạnh Cương, Trường Sơn, Sơn Ca, Họa Mi, Jo Marcel… Năm 1968, Khánh Ly mở Hội Quán Cây Tre ở Đakao, số 2bis đường Đinh Tiên Hoàng, Sài Gòn. Đây là nơi tụ họp của các văn nghệ sĩ và các sinh viên học sinh yêu văn nghệ yêu tiếng hát Khánh Ly, và đây cũng là nơi tổng phát hành những cuốn băng nổi tiếng Trịnh Công Sơn – Khánh Ly Hát Cho Quê hương Việt Nam.

Trong hai năm 1969 và 1970, được sự tài trợ của chính phủ Việt Nam Cộng Hòa, Khánh Ly đã có nhiều cuộc trình diễn cho các sinh viên Việt Nam ở châu Âu, Mỹ và Canada. Năm 1970, nhận được lời mời của đài truyền hình NHK, Khánh Ly sang biểu diễn ở Nhật Bản. Khánh Ly đã ghi âm và trình diễn các ca khúc bằng cả hai thứ tiếng Việt và Nhật.

Năm 1970, Chiến tranh Việt Nam lan rộng, Trịnh Công Sơn viết nhiều ca khúc phản chiến và được Khánh Ly hát trong những cuốn băng Hát Cho Quê Hương Việt Nam. Khánh Ly cũng tham gia hát trong những buổi ca nhạc gây dựng quỹ của các hội đoàn, hội Công giáo Việt Nam để xây chùa, nhà thờ, trại mồ côi, trại tị nạn. Năm 1972, bà mở một phòng trà ca nhạc mang tên Khánh Ly trên đường Tự Do, số 1214 tại thành phố Sàigòn.

Sau năm 1975
Sau năm 1975, Khánh Ly rời Việt Nam và định cư tại Cerritos, California, Hoa Kỳ. Năm 1979, một lần nữa Columbia Nippon lại mời Khánh Ly đến Nhật để thâu băng nhạc của Trịnh Công Sơn. Năm 1982, đài Bunka Honso Radio mời Khánh Ly tham gia Liên hoan Âm nhạc châu Á với nhiều nghệ sĩ nhiều nước châu Á. Năm 1985, Khánh Ly cùng chồng là nhà báo Nguyễn Hoàng Đoan mở hãng thu riêng Khánh Ly Productions. Năm 1987, Khánh Ly trở lại Nhật để thâu băng cho phim Thuyền nhân (Boat Man).

Năm 1988, là một tín đồ Công giáo mộ đạo, Khánh Ly được mời đến Vatican trong lễ tuyên phong các thánh tử đạo Việt Nam. Trong sự kiện này, Khánh Ly đã gặp Giáo hoàng Gioan Phaolô II. Năm 1989, sau khi bức tường Berlin bị phá bỏ, Khánh Ly và Thanh Tuyền đã hát trong chương trình nhạc đầu tiên ở Đông Đức. Năm 1992, Khánh Ly được mời đến Đại hội Giới trẻ Thế giới ở Denver, Colorado (Hoa Kỳ), và là lần thứ hai bà được gặp Giáo hoàng Gioan Phaolô II. Năm 1996, Đài truyền hình NHK ở Nhật Bản đã chọn Khánh Ly là một trong 10 nhân vật nổi tiếng để làm phim tài liệu về cuộc đời và gia đình Khánh Ly.

Năm 2005, trong một cuộc phỏng vấn trên đài BBC của Anh ở Mỹ, Khánh Ly cho biết, về Việt Nam luôn là ước mơ nằm trong trái tim bà. Trong một cuộc phỏng vấn với BBC năm 2012, bà cho biết rất muốn về Việt Nam biểu diễn và cho rằng nếu có sự chống đối thì “cũng là tự nhiên”. Hiện nay Khánh Ly vẫn tiếp tục sự nghiệp ca hát của mình và là một diva (nữ ca sĩ được mến mộ) trụ cột của Trung tâm Thúy Nga. Để kỷ niệm 50 năm ca hát, Khánh Ly và bạn hữu đã tổ chức một buổi văn nghệ miễn phí tại Nhà thờ chính tòa Pha Lê (Crystal Cathedral) tại Garden Grove, California vào ngày 30 tháng 11 năm 2012, và sau đó kéo dài trong nhiều tháng, bà “đồng hành với nhiều ca sĩ trẻ đến nhiều nhà thờ trên khắp nước Mỹ để hiến tặng CD Thánh Ca”. Bà cũng cho biết sẽ dành hết phần đời còn lại để làm công tác từ thiện. Cũng vào cuối năm 2012, lần đầu tiên bà được nhà nước Việt Nam cấp giấy phép để trở về trình diễn tại Việt Nam, nhưng bà đã không về.

Khánh Ly lập gia đình lần đầu và có hai con với một người có biệt danh là “Hải Dớ”. Lần thứ hai và có một người con với Đình Hải, một quân nhân Biệt cách dù, Quân lực Việt Nam Cộng hòa. Lần thứ ba, Khánh Ly lập gia đình với Nguyễn Hoàng Đoan, một nhà báo kiêm nhà văn viết tiểu thuyết phóng sự năm 1975. Bà có tổng cộng bốn người con, hai trai và hai gái. Có những tin đồn về tình cảm của bà với nhạc sĩ Trịnh Công Sơn, nhưng Trịnh Công Sơn phủ nhận và cho biết thực chất quan hệ giữa hai người chỉ là một tình bạn đẹp.

Năm 2022, hai bộ phim khắc họa quá khứ của Trịnh Công Sơn mang tên Trịnh Công Sơn và Em Và Trịnh được công chiếu tại Việt Nam trong đó nữ ca sĩ Bùi Lan Hương thủ vai Khánh Ly. Đồng thời, bà về Việt Nam để tổ chức đêm nhạc cuối cùng của mình tại Đà Lạt, vốn là nơi mà Khánh Ly đã gặp vị nhạc sĩ họ Trịnh lần đầu tiên. Cũng ở tại Việt Nam, bà bị chính quyền cộng sản mời làm việc vì đã thể hiện ca khúc Gia Tài Của Mẹ trong một show nhỏ. Ngày 24 tháng 9 cùng năm, Khánh Ly thực hiện một liveshow giao lưu với các nghệ sĩ Phương Hồng Quế, Khắc Triệu, Cẩm Vân, Quang Thành, Đức Tuấn tại nhà hát lớn Hà Nội, nhưng nhà hát đã bị cắt điện đột ngột vào ngày này.