Ada là con gái độc nhất (chính thức) của nhà thơ Lord Byron và bà Annabella Milbanke. Ada được đặt tên Augusta vì Byron đã có quan hệ với người em cùng cha khác mẹ, Augusta Leigh, mà người ta đồn rằng họ đã có một con với nhau. Để tránh rắc rối, bà Augusta Leigh khuyên Byron cưới vợ nên Byron đã miễn cưỡng chọn Annabella. Vào ngày 16 tháng 1 năm 1816, khi Ada chỉ độ 1 tháng, Annabella bỏ Byron. Vào ngày 21 tháng 4 cùng năm Byron ký giấy ly dị vợ và rời khỏi Anh một vài ngày sau đó. Ông sẽ không bao giờ nhìn thấy mặt vợ con và nước Anh nữa.

Khi rời bỏ Byron, Annabella mang Ada (lúc đó hãy còn mang họ cha là Augusta Ada Byron) theo mình nhưng Ada có thật sự lớn lên với mẹ hay không thì không ai biết chính xác. Có người nói là Ada sống dưới sự kiểm soát và kiềm chế của mẹ, ngay cả sau khi đã có chồng; có người nói là Ada không biết mặt cả cha lẫn mẹ. Ngay từ nhỏ, Ada đã nổi tiếng là thông minh, có năng khiếu đặc biệt về toán học và khoa học, nhưng bà chỉ theo học với gia sư riêng tại nhà. Khi còn trẻ, Ada được biết đến trong xã hội (tầng lớp trung lưu và quý tộc) của London thời đó; Ada cũng là hội viên của hội Bluestockings.

Năm 1835, Ada kết hôn với William King, Bá tước Lovelace. Họ có ba người con: Byron King sinh ngày 12 tháng 5 năm 1836, Annabella King sinh ngày 22 tháng 9 năm 1837 (sau này được biết đến như Lady Anne Blunt) và Ralph Gordon King sinh ngày 2 tháng 7 năm 1839. Từ khi lấy chồng về sau, tên hiệu đầy đủ của Ada là The Right Honourable Augusta Ada, Countess of Lovelace (hay "Augusta Ada, nữ Bá tước Lovelace"). Nhưng trên thực tế bà được mọi người biết với tên Ada Lovelace.

Bà có quen biết với Mary Somerville, một nhà nghiên cứu về khoa học và tác giả nổi tiếng trong thế kỷ 19. Chính Mary Somerville đã giới thiệu bà với Charles Babbage vào ngày 5 tháng 6 năm 1833. Ngoài ra bà cũng quen biết với nhiều nhân vật nổi tiếng như: Sir David Brewster, Charles Wheatstone, Charles Dickens và Michael Faraday.

Sau khi Charles Babbage phát minh ra cái máy tính cơ khí của ông, The Analytical Engine, nhà toán học người Ý Luigi Menabrea đã viết một quyển sách về chiếc máy này. Trong thời gian 9 tháng, giữa 1842 và 1843, Ada (dưới tên Ada Byron) đã giúp Babbage dịch cuốn sách đó. Trong bản dịch, không những cho thêm ý kiến của mình, bà còn phụ chú một chương nói về cách tính chuỗi số Bernoulli bằng cách dùng máy tính của Babbage. Bản phụ chú này (Xem Bản phụ chú của Ada Byron) được xem như là chương trình máy tính đầu tiên trong lịch sử.

Ada Lovelace mất khi 37 tuổi. Bà bị ung thư tử cung. Với kiến thức y khoa lúc đó, các bác sĩ đã làm cho bà mất máu mà chết.