Niki de Saint Phalle, al secolo Catherine Marie-Agnès de Saint Phalle nasce a Neuilly-sur-Seine, in Francia, nel 1930, seconda figlia di Jeanne Jacqueline Harper e André Marie Fal de Saint Phalle. L'attività bancaria di famiglia subisce il crack finanziario del 1929 e porterà Niki e i fratelli a trasferirsi negli Stati Uniti. La famiglia si stabilirà nel 1937 a New York dove Niki studia presso scuole cattoliche e pubbliche, alternando la vita negli Stati Uniti con le vacanze estive presso i nonni al castello Filerval in Francia. La doppia nazionalità contribuirà a farne una cittadina del mondo, poliglotta e legata ad amicizie internazionali.
La prima tappa della sua carriera artistica si esprime nella letteratura. Scrive poesie, studia teatro e sogna di diventare attrice. In questo periodo posa come fotomodella per Vogue e Life, quindi intraprende, incoraggiata da Hugh Weiss, una carriera artistica.
Si sposa con lo scrittore Harry Mathews con cui avrà due figli, Laura e Philip. Mathews studia musica e Niki comincia a dipingere. Nel 1952 si trasferiscono a Parigi, dove Niki si dedica al teatro e Mathews alla musica. A seguito di una grave crisi nervosa viene ricoverata in ospedale a Nizza e scopre nella pittura la sua terapia e da qui decide di dedicarvisi completamente. Diviene celebre grazie ai Tiri: una serie di azioni durante le quali il pubblico o l'artista stessa spara con la carabina su dei rilievi di gesso dove si trovano dei sacchetti di pittura che esplodono al momento dell'impatto. Grazie a questi spettacoli-arte comincia a diventare nota ed entra a far parte dei gruppi dei Nouveaux réalistes. Partecipa con Robert Rauschenberg, Jasper Johns e Jean Tinguely al concerto Variations Il di John Cage che si tiene all'ambasciata degli Stati Uniti a Parigi.Niki esplora poi la rappresentazione artistica femminile e realizza delle figure a grandezza naturale. Queste opere prendono progressivamente consistenza diventando le Nanas. Tra giugno e settembre 1966, per il Moderna Museet di Stoccolma, con il supporto di Jean Tinguely e di Per Olof Ultvedt, realizza Hon/Elle, una gigantesca Nana incinta di 28 metri di lunghezza, 6 metri di altezza e 9 metri di larghezza, stesa di torso come in procinto di partorire tutti quei visitatori che la visitano entrando dal suo sesso.
Le Nanas conquistano la città è un'installazione permanente di tre Nanà monumentali nel centro della città di Hannover (Germania). Divorziata dallo scrittore Harry Mathews, si sposa in seconde nozze, il 13 luglio 1971, con l'artista svizzero Jean Tinguely, lui stesso divorziato dalla sua consorte Eva Aeppli.
Dalla loro unione anche artistica scaturirono opere eccezionali ed originali come il Ciclope di Milly-la-Forêt, la fontana Stravinsky di Parigi, la fontana di Château-Chinon ed il Giardino dei Tarocchi di Garavicchio, grazie alla concessione di un terreno da parte di Carlo e Nicola Carracciolo.
Successivamente realizza Il Paradiso Fantastico, un gruppo di nove sculture con il contributo di Jean Tinguely per l'Expo del 1967 di Montreal. Collabora poi, sempre con Tinguely alla realizzazione di una scultura monumentale a Milly-Ia-Forêt che si intitola Il Ciclope.Niki, con l'aiuto del marito, realizza a Garavicchio, presso Capalbio (GR) in Toscana, a partire dal 1979, il Giardino dei Tarocchi, opera ispirata al Parco Güell di Gaudi di Barcellona. Si tratta di un gruppo di ventidue sculture monumentali alcune delle quali sono abitabili, ispirate agli arcani maggiori dei Tarocchi, costruite in cemento armato e ricoperte da un mosaico di specchi, vetri e ceramiche colorate.
Per finanziare il Giardino dei Tarocchi lancia una linea di profumi.
Tra le sue opere più tardive la Fontana Igor Stravinski (o Fontaine des automates) eseguita nella piazza del Centre Pompidou a Parigi.
Partecipa attivamente alla campagna contro l'AIDS, in collaborazione con il Professor Silvio Barandun scrisse ed illustrò un libro, AlDS: You Can't Catch it Holding Hands, tradotto in cinque lingue.
L'artista si trasferisce in California, dove realizza un gruppo di otto serigrafie intitolato Diario Californiano. Lavora con l'architetto Botta sul progetto della costruzione di un'Arca di Noè monumentale per la città di Gerusalemme.
Scrive e realizza il suo primo film, Daddy, in collaborazione con Peter Whitehead e successivamente Camelia e il Drago e Un sogno più lungo della notte. Muore nel 2002 per una malattia respiratoria.