Родители работали на молочной ферме. Дед художницы по материнской линии был эмигрантом из Венгрии. О’Киф росла в штате Виргиния, училась в Чикаго и Нью-Йорке. В 1908 она познакомилась в Нью-Йорке с фотографом и галеристом Альфредом Стиглицем, позже, в 1924, они поженились (Стиглицу нужно было прежде развестись).
Стиглиц много фотографировал О’Киф, ввел ее в круг своих друзей, фотохудожников-модернистов Пола Стренда, Эдварда Стейхена и др. Под его влиянием она вернулась к живописи, которую по семейным причинам бросила в 1908—1912. С 1923 пейзажи и натюрморты О’Киф (особенно известны ее цветы) начали при поддержке Стиглица активно выставляться, она стала модным и высокооплачиваемым художником.
В 1929 О’Киф переехала в штат Нью-Мексико, чьи пустынные пейзажи надолго стали натурой ее полотен. В 1932—1934 художница пережила тяжелый нервный срыв, лечилась. В 1943 ретроспектива ее работ состоялась в Институте искусств Чикаго, в 1946 — в нью-йоркском Музее современного искусства. В 1946 Стиглиц умер.
После 15-летнего перерыва гигантская выставка работ О’Киф в Музее Уитни в 1972 привлекла к ней внимание молодого поколения интеллектуалов, в том числе — феминистских кругов. В 1970-х О’Киф начала терять зрение, стала работать с керамикой, написала автобиографическую книгу. После 1982 уже не занималась искусством.
В 1962 О’Киф избрали членом Американской академии искусств. В 1977 о ней был снят документальный фильм. В 2001 в Санта-Фе открыт музей Джорджии О’Киф. Ей посвящено стихотворение Патти Смит в книге кодак.
