Lucille Ball est née dans une famille d'origine irlandaise, d'ascendance quaker et de croyance méthodiste. Son père, Henry Durwood "Hank" Ball, était un employé de banque, tandis que sa mère, Désirée Evelyn "DeDe" Pepper, était une couturière professionnelle. Lucy a eu trois frères et sœurs : Fred, John et Dorothy.
En 1930, à l'âge de 18 ans, elle a commencé sa carrière comme danseuse dans un orchestre de jazz dirigé par Johnny Davis. Puis, en 1933, elle est engagée par la Metro-Goldwyn-Mayer où elle tourne dans une série de films courts et joue des petits rôles dans des comédies musicales.
C'est à partir de 1951 que Lucy Ball connaît le succès avec la création de la série télévisée I Love Lucy (J'adore Lucy en français), qui est une sitcom diffusée sur CBS entre 1951 et 1957. Cette série a permis à Lucy de devenir la première femme américaine à avoir sa propre société de production, Desilu Productions, en partenariat avec son mari desvantés, Desi Arnaz.
Lucy Ball est connue pour son talent comique et sa vitesse dans les tournages qui ont permis de produire des épisodes à un rythme élevé. Elle a également été une pionnière en matière de multitâche, en prenant à la fois les rôles d'actrice, de productrice et de réalisatrice.
Lucy Ball s'est mariée deux fois. De 1937 à 1940, elle a été mariée au comédien cubain Cuban bandleader Desi Arnaz avec qui elle a eu son fils, Desi Arnaz Jr., né en 1953. Elle s'est remariée en secondes noces en 1961 à Gary Morton, un scénariste qu'elle avait rencontré sur le tournage d'une publicité pour cigarettes.
Elle a reçu de nombreux prix et récompenses au cours de sa carrière, notamment plusieurs Emmy Awards, des Golden Globes et une étoile sur le Walk of Fame Hollywood. Elle est décédée à l'âge de 77 ans d'un anévrisme cérébral le 26 avril 1989 à Los Angeles en Californie.
Lucy Ball reste une figure importante de l'histoire du cinéma et de la télévision américaine, grâce à son talent comique et à sa contribution aux techniques d'enregistrement de télévision. Son influence est encore sentie aujourd'hui dans le milieu de l'entertainment.