Beata Margareta Kristina Söderbaum wurde am 5. September 1912 in Stockholm, Schweden, geboren. Ihr Vater, der Chemiker Henrik Gustaf Söderbaum, war zeitweilig Vorsitzender des Nobelpreiskomitees. Einen Teil ihrer Schulzeit verbrachte Söderbaum in Internaten in der Schweiz und Frankreich.

Nach dem Tod ihrer Eltern zog sie im September 1934 nach Berlin, wohin auch eine Verwandte von ihr gegangen war. Sie nahm Schauspielunterricht, lernte Deutsch und erhielt 1936 im Rahmen eines Nachwuchswettbewerbs der Ufa ihre erste Filmrolle: einen kleinen Part in Erich Waschnecks "Onkel Bräsig".

Der Durchbruch gelang ihr 1938 in "Jugend" unter der Regie von Veit Harlan, einem Drama über eine jugendliche Außenseiterin, die sich am Ende das Leben nimmt. 1939 heirateten Söderbaum und Harlan, der sie fortan in Hauptrollen fast all seiner Filme besetzte. Mit Melodramen wie "Verwehte Spuren" (1938), "Immensee" (1943) und "Opfergang" (1944) wurde sie zum Typus der blonden Kindfrau voller Unschuld und Reinheit aufgebaut, die sich schier unüberwindbaren Konflikten ausgesetzt sieht. Auf diesen Rollentyp festgelegt, avancierte Söderbaum zu einem der großen Stars in Nazi-Deutschland, wobei ihr Freitod in Gewässern am Ende von "Jugend", "Die goldene Stadt" und "Jud Süß" ihr den Spottnamen "Reichswasserleiche" eintrug.

Auch bei den Machthabern erfreute sich Kristina Söderbaum großer Beliebtheit, da ihre äußere Erscheinung dem rassistischen Idealbild der "arischen Frau" entsprach. Dementsprechend wirkte sie unter Harlans Regie auch in unverhohlenen NS-Propagandafilmen wie dem berühmt-berüchtigten antisemitischen Hetzfilm "Jud Süß" (1940) und "Der große König" (1942) mit. 1944 stand Söderbaum auf der "Gottbegnadeten-Liste" des Reichsministeriums für Volksaufklärung und Propaganda. Noch kurz vor Ende des Zweiten Weltkriegs drehte sie mit Harlan den Durchhaltefilm "Kolberg" (1945).

Nach der Befreiung Deutschlands 1945 konnte Söderbaum ihre Karriere fortsetzen, während Veit Harlan von den Alliierten mit Berufsverbot belegt war. Sie spielte Theater in Hamburg, erhielt aber keine Filmangebote. Erst als ihr Mann ab 1950 wieder arbeiten durfte, kehrte Söderbaum unter seiner Regie in "Unsterbliche Geliebte" (1951) auf die Leinwand zurück.

Weitere populäre Filme des Paars waren "Die blaue Stunde" (1953), "Sterne über Colombo" (1953) und "Die Gefangene des Maharadscha" (1954). Die Familientragödie "Ich werde dich auf Händen tragen" (1958) war ihr letzter gemeinsamer Film. August Strindbergs "Ein Traumspiel" (1963), eine Theaterinszenierung in Aachen, folgte als allerletztes Projekt. Nur ein einziges Mal, bei Géza von Bolvárys "Zwei Herzen im Mai" (1957), arbeitete Söderbaum mit einem anderen Filmregisseur.

Nach Harlans Tod im Jahr 1964 beendete Kristina Söderbaum ihre schauspielerische Laufbahn. Stattdessen war sie 1966 als Mode- und Porträtfotografin in München tätig. Erst 1974 trat sie für Hans Jürgen Syberbergs mit zahlreichen Altstars besetzten "Karl May" wieder vor die Kamera. 1983 erschien ihre Autobiografie "Nichts bleibt immer so". In den 1980er und 1990er Jahren folgten sehr gelegentliche Gastauftritte, zuletzt 1993 in dem Horrorfilm "Night Train to Venice" mit Hugh Grant.

Kristina Söderbaum starb am 12. Februar 2001 in einem Pflegeheim in Hitzacker.