Bà tên thật là Nguyễn Bích Liên, sinh ngày 14 tháng 7 năm 1944. Trong những năm đầu của thập niên 1960, bà theo học tại Nhạc viện Hà Nội. Sau đó Bích Liên công tác tại Nhà hát ca múa nhạc Việt Nam.

Giọng của Nghệ sĩ Bích Liên là giọng soprano, nhưng cách thể hiện của nghệ sĩ đối với tác phẩm thì bằng cả tấm lòng. Cho nên mọi người thường gọi giọng hát của nghệ sĩ Bích Liên là soprano "thép".

Bích Liên được coi là một trong những ca sĩ nhạc cách mạng nổi tiếng nhất trong những năm chiến tranh. Bà nổi tiếng với nhiều ca khúc cách mạng trong đó có: Nổi lửa lên em (Huy Du), Về đây với đường tàu (Lưu Cầu), Biết ơn chị Võ Thị Sáu (Nguyễn Đức Toàn), Tự nguyện (Trương Quốc Khánh), Tình ca Tây Bắc (Bùi Đức Hạnh) - hát với nghệ sĩ ưu tú Kiều Hưng... và đặc biệt là những ca khúc về đề tài ca ngợi nông thôn: Cá lội đồng xanh (Vũ Thanh), Bài ca năm tấn (Nguyễn Văn Tý), Đường cày đảm đang (An Chung)...

Năm 1969, khi chủ tịch Hồ Chí Minh qua qua đời, đã có một cuộc thi để chọn ra một ca khúc phát trên sóng phát thanh trong lễ tang. Ca khúc Người là niềm tin tất thắng của Chu Minh đã được chọn, và Bích Liên chính là người thể hiện.

Bích Liên đã được phong tặng danh hiệu Nghệ sĩ ưu tú. Năm 1980 bà chuyển ngành sang Bộ Giao thông vận tải nên không đủ số năm cống hiến để được phong Nghệ sĩ nhân dân.