Hàn Mặc Tử quen Mộng Cầm trong thời gian phụ trách trang văn chương cho tờ báo Trong Khuê Phòng. Mộng Cầm là cháu gọi Bích Khê bằng cậu, vì ảnh hưởng của ông cậu trẻ tuổi nên cũng tập tành làm thơ gửi đăng báo. Hàn Mặc Tử đã nhận được một số bài thơ như thế của Mộng Cầm gửi đến và từ đó làm quen với Mộng Cầm.[2] Qua những vần thơ trên báo, Hàn Mạc Tử đã tìm đến làm quen, bày tỏ tình cảm với bà qua bài Muôn năm sầu thảm, với câu mở đầu "Nghệ hỡi Nghệ". Hàn Mặc Tử là tình yêu đầu đời của bà[4]

Theo các tài liệu của Nguyễn Bá Tín (em ruột Hàn Mặc Tử), của nhà văn Quách Tấn thì Hàn Mặc Tử và Mộng Cầm quen biết nhau qua thơ văn. Đó là khoảng năm 1934, khi Hàn Mặc Tử rời Quy Nhơn vào Sài Gòn phụ trách trang văn chương cho tờ Trong khuê phòng. Thỉnh thoảng, Hàn Mặc Tử có nhận được những bài thơ ký tên là Mộng Cầm từ Phan Thiết gửi vào. Thư đi tin lại, rồi chàng ra Phan Thiết tìm nàng. Sự thực là Mộng Cầm là cháu gọi thi sĩ Bích Khê bằng cậu, nhân vậy mà sau này mới có tình bạn thắm thiết giữa Bích Khê và Hàn Mặc Tử.[3]

Theo ông Trần Thanh Mại thì: Đôi trai tài gái sắc yêu nhau. Họ hay gặp nhau ở Quy Nhơn và Phan Thiết, hay đưa nhau đi chơi, thăm thú các danh lam thắng cảnh, nhất là Lầu Ông Hoàng... Đùng một cái, Hàn thi sĩ phát hiện mình mắc bệnh phong, chàng tuyệt giao với bằng hữu, kể cả với Mộng Cầm.[5]

Mộng Cầm đã cho rằng chuyện tình cảm giữa mình và Hàn Mặc Tử "chỉ là mối tình văn thơ, còn xác thịt thì hoàn toàn không nghĩ tới. Cha mẹ đã cho giao thiệp tự do, chúng tôi phải giữ gìn cho xứng đáng...". Bà xác nhận có đi chơi ở Lầu Ông Hoàng với Hàn Mặc Tử rồi gặp mưa, hai người vào nấp mưa ở một nghĩa địa nhưng không cho rằng do vậy mà Hàn mắc bệnh phong.[5]

Bà kể thêm rằng: Về đến Phan Thiết, tôi đưa Hàn Mặc Tử đến trường Hồng Đức, cậu Bích Khê tôi dạy ở đó. Ở đó suốt buổi sáng chủ nhật, chiều anh đáp chuyến tàu suốt về Sài Gòn. Sau ngày ấy, cậu tôi bảo tôi ra dạy ở trường Hồng Đức, do vậy mà Hàn Mặc Tử ra vào thường. Thứ bảy nào anh cũng có mặt ở Phan Thiết, chiều chủ nhật lại vào Sài Gòn. Trong một dịp thứ bảy đi chơi Lầu Ông Hoàng, anh đã thổ lộ mối tình với tôi.[3]

Sau khi Hàn Mặc Tử qua đời, Mộng Cầm lập gia đình riêng và sống ẩn dật. Bà có bảy người con.[1]