陕州陕县（今属河南）人，唐高宗时宰相上官仪孙女。麟德元年（664），上官仪因替高宗起草将废武则天的诏书，被武后所杀，刚刚出生的上官婉儿与母亲郑氏同被配没掖廷。在掖廷为奴期间，在其母的精心培养下，上官婉儿熟读诗书，不仅能吟诗着文，而且明达吏事，聪敏异常。仪凤二年（677），上官婉儿曾被武则天召见宫中，当场命题，让其依题着文。上官婉儿文不加点，须臾而成，且文意通畅，词藻华丽，语言优美，真好像是夙构而成。武则天看后大悦，当即下令免其奴婢身分，让其掌管宫中诏命。不久，上官婉儿又因违忤旨意，罪犯死刑，但武则天惜其文才而特予赦免，只是处以黥面而已。以后，上官婉儿遂精心伺奉，曲意迎合，更得武则天欢心。从圣历元年（698）开始，又让其处理百司奏表，参决政务，权势日盛。
神龙元年（705），唐中宗复位以后，又令上官婉儿专掌起草诏令，深被信任，又拜为昭容，封其母郑氏为沛国夫人。二年，武三思依靠韦后和安乐公主等人的支持，相继设计贬杀了张柬之、桓彦范、敬晖、袁恕己和崔玄暐等五王，权倾人主，不可一世。上官婉儿又与其私通，并在所草诏令中，经常推崇武氏而排抑皇家，致使太子李重俊气愤不已。景龙元年（707）七月，李重俊与左羽林大将军李多祚等，矫诏发羽林军三百余人，杀武三思、武崇训于其府第，并诛其亲党十余人，又引兵从肃章门斩关而入，叩击阁门而搜捕上官婉儿。上官婉儿急忙逃至唐中宗和韦后处，并扬言说：「观太子之意，是先杀上官婉儿，然后再依次捕弑皇后和陛下。」韦后和中宗一时大怒，遂带着上官婉儿和安乐公主登上玄武门躲避兵锋，令右羽林大将军刘景仁率飞骑二千余人，屯太极殿前，闭门自守。太子兵败被杀。
此后，上官婉儿又经常劝说中宗，大量设置昭文馆学士，广召当朝词学之臣，多次赐宴游乐，赋诗唱和。上官婉儿每次都同时代替中宗、韦后和安乐公主，数首并作，诗句优美，时人大多传诵唱和。对大臣所作之诗，中宗又令上官婉儿进行评定，名列第一者，常赏赐金爵，贵重无比。因此，朝廷内外，吟诗作赋，靡然成风。中宗派人又在上官婉儿居地穿池筑岩，穷极雕饰，常引大臣宴乐其中。当时，宫禁宽疏，允许宫内官员任意出入。上官婉儿遂与一些宫官在宫外购筑宅第，经常同一些不三不四的纨?子弟和巿井无赖鬼混其间，有的人因此而求得高官要职。中书侍郎崔湜就是因为与上官婉儿在外宅私通，后被引以为相的。不久，崔湜又在主持铨选时，多有违失，被御史李尚隐弹劾，以罪被贬外州司马；也因上官婉儿和安乐公主为其申理，仍官复原职。
景龙四年（710），太平公主势力日盛，上官婉儿又阴附太平公主。六月，唐中宗被韦后与安乐公主毒死后，上官婉儿与太平公主一起草拟遗诏，立温王李重茂为皇太子，韦后知政事，相王李旦参决政务。七月，临淄王李隆基率羽林将士冲入宫中，杀韦后及其党羽。上官婉儿执烛率宫人迎接，并把她与太平公主所拟遗诏拿给刘幽求观看，刘幽求拿着遗诏在李隆基处为其说项，但李隆基不许，杀上官婉儿于旗下。开元初年，唐玄宗派人将上官婉儿的诗作收集起来，编成文集二十卷，令张说作序。此集今佚，《全唐诗》仅收其遗诗三十二首。