Thea Gabriele von Harbou wurde am 27. September 1888 in Tauperlitz, heute Ortsteil der Gemeinde Döhlau bei Hof im Vogtland als Tochter des Oberförsters Theodor von Harbou und seiner Frau Clotilde Constance geboren. Ihr Bruder war der UFA-Standfotograf Horst von Harbou (geb. 1879).

Die verarmte preußische Adelsfamilie ermöglichte ihr trotz beschränkter finanzieller Mittel eine Ausbildung am renommierten Gymnasium Luisenstift in Niederlößnitz bei Dresden. Dort stellte die Karl-May-begeisterte von Harbou, die ihre erste Geschichte bereits mit neun Jahren verfasst hatte, ihre literarische Begabung unter Beweis: Auf Tiergeschichten in Lokalzeitungen folgten 1902 selbstverlegte Gedichte. Drei Jahre später wurde ihr erster Roman "Wenn's Morgen wird" in der Berliner Deutschen Zeitung abgedruckt.

Nach Abschluss der Schule verfolgte Thea von Harbou jedoch keine Schriftstellerkarriere: Gegen den Willen ihres Vaters zog es sie auf die Bühne. 1906 debütierte sie am Düsseldorfer Schauspielhaus, bevor sie nach Stationen am Hoftheater Weimar und den Vereinigten Stadttheatern Chemnitz ans Theater Aachen gelangte. Dort lernte sie den Schauspieler Rudolf Klein-Rogge kennen, den sie im September 1914 heiratete. Thea von Harbou verließ daraufhin die Bühne, widmete sich nun wieder dem Schreiben und veröffentlichte mehrere, teils äußerst erfolgreiche Romane: "Die Flucht der Beate Hoyermann" (1916) beispielsweise wurde innerhalb von zwei Jahren dreißigmal aufgelegt. 1917 ging das Paar nach Berlin wo sie "Das indische Grabmal" verfasste, das 50 Auflagen erreichte und Vorlage für den 1921 gedrehten gleichnamigen Film von Joe May wurde.

Ebenfalls 1917 begann von Harbou als Drehbuchautorin für Mays Produktionsfirma zu arbeiten, wo sie Fritz Lang kennenlernte. Der aufstrebende UFA-Regisseur sollte ihr berufliches wie privates Leben für die nächsten Jahre entscheidend prägen – und umgekehrt sie das Seine: 1918 trennte sich von Harbou von Klein-Rogge und heiratete vier Jahre später Lang. Bis 1932 zeichnete sie für die Drehbücher sämtlicher Filme des Österreichers verantwortlich, darunter Meilensteine wie "Dr. Mabuse, der Spieler", "Metropolis" und "M", Langs erster Tonfilm. Gleichzeitig arbeitete sie für Friedrich Wilhelm Murnau ("Der brennende Acker" und "Phantom", 1922; "Die Austreibung" und "Die Finanzen des Großherzogs", 1923), Carl Theodor Dreyer ("Michael", 1924) und Arthur von Gerlach ("Zur Chronik von Grieshuus", 1925). Im Berlin der Goldenen Zwanziger gaben von Harbou und Lang ein schillerndes Paar ab, doch stand sie zeitlebens im Schatten des Regiestars.

Mit "Das Testament des Dr. Mabuse" (1932), der von der Zensur verboten wurde, endete die langjährige Zusammenarbeit. Die Ehe war zu diesem Zeitpunkt bereits zerrüttet, 1933 wurde das kongeniale Paar geschieden. Fritz Lang emigrierte noch im selben Jahr zunächst nach Paris, später dann in die USA. Thea von Harbou blieb im nunmehr nationalsozialistischen Deutschland, wo sie bis 1939 mit dem indischen Wissenschaftler Ayi Tendulkar liiert war. Sie versuchte sich im Regiefach, doch ihre beiden Filme "Elisabeth und der Narr" (1933), sowie "Hanneles Himmelfahrt" (1934) floppten bei Publikum und Kritik. Ihr drittes Regie-Projekt, "Karussell Berlin", wurde daraufhin aufgegeben. Sie blieb jedoch in der NS-Zeit vielbeschäftigt als Drehbuchschreiberin, war Vorsitzende des Verbandes Deutscher Tonfilmautoren und verfasste unter anderem das Buch zu Veit Harlans "Der Herrscher" (1937), der von Goebbels mit dem Höchstprädikat "Nationaler Filmpreis" ausgezeichnet wurde. Ab 1940 war Thea von Harbou Mitglied der NSDAP.

Bei Kriegsende wurde die Wahlberlinerin kurzzeitig von den britischen Besatzungsbehörden interniert. Im Anschluss arbeitete sie in einer Fabrik und als "Trümmerfrau", verfasste dann Ende der 40er Jahre Synchronbücher für die Deutsche London Film, wie zum Beispiel für "Der dritte Mann" (1949) von Carol Reed.

In den fünfziger Jahren war sie erneut in der (west-)deutschen Filmindustrie tätig und verfasste drei Drehbücher in typischen Genres des Nachkriegskinos. Aus ihrer Feder stammten der Antikriegsfilm "Es kommt ein Tag" (1950), der Arztfilm "Dr. Holl" (1950) sowie der Heimatfilm "Dein Herz ist meine Heimat" (1953). Fritz Lang griff 1958 erneut ihren Roman von 1921 auf und drehte den Zweiteiler "Der Tiger von Eschnapur / Das indische Grabmal". Die beiden sollten sich jedoch nach Kriegsende nicht mehr wiedersehen.

Am 1. Juli 1954 starb Thea von Harbou in Berlin an Verletzungen, die sie sich bei der Wiederaufführung ihres Durchbruchsfilms "Der müde Tod" (1921) zugezogen hatte, als sie auf den Treppen vor dem Kino gestürzt war. Sie wurde in einem Ehrengrab des Landes Berlin auf dem Friedhof Heerstraße beigesetzt.