Diplômée de l'école de design d'Alstead dans le New Hampshire en 1905, elle se rend ensuite à Chicago où elle étudie à l'Art Institute of Chicago et travaille dans une agence publicitaire. Elle enseigne également à l'université de Virginia (maintenant Virginia Tech) de 1916 à 1920 avant d'obtenir un poste au département d'art de l'Université de Columbia à New York.
En 1916, elle reçoit une bourse du Woman's Teachers' Club pour étudier à l'Art Students League of New York, où elle suit des cours avec le peintre Charles Webster Hawthorne et la sculptrice Hermine David. Elle rencontre également les artistes Alfred Stieglitz, Paul Strand et Arthur Dove, qui deviennent ses amis proches et principaux influences.
En 1924, Georgia O'Keeffe se rend pour la première fois au Nouveau-Mexique et réalise des séries de peintures inspirées par les paysages désertiques. En 1929, elle expose ses œuvres à l'Art Institute of Chicago, ce qui rencontre un vif succès et marque le début de sa carrière internationale.
En 1933, O'Keeffe se marie avec Alfred Stieglitz, qui est alors déjà séparé de sa première épouse. Le couple s'installe à New York, où ils vivent ensemble jusqu'à la mort d'Alfred en 1946. Après la mort de Stieglitz, elle retourne au Nouveau-Mexique pour y résider le reste de sa vie.
Elle reçoit de nombreuses distinctions durant sa carrière, dont un doctorat honorifique du Smith College en 1947 et de l'université Columbia en 1965. Elle est nommée membre de la National Academy of Design en 1968, et en 1977 elle reçoit le prix national des arts pour la vie d'une personne exceptionnelle dans les domaines artistiques américains.
En plus de ses peintures, Georgia O'Keeffe a également réalisé des photographies, des dessins, des collages et des sculptures. Elle est considérée comme une figure importante de l'art moderne américain et son travail continue d'inspirer les générations suivantes d'artistes.