Phạm Thị Băng Thanh bắt đầu sự nghiệp ca hát từ năm 14 tuổi với các nghệ danh Băng Thanh, Thái Thanh. Bà sở hữu một giọng hát cũng như lối hát đặc biệt, mang tính chất opera nhưng chịu nhiều ảnh hưởng của Chầu văn, quan họ, chèo là những bộ môn nghệ thuật được bà tự rèn luyện, học tập từ thuở nhỏ tại quê hương miền Bắc[4][7]. Do lúc đó Việt Nam chưa có trường âm nhạc, bà tự học nhạc bằng cách đặt mua các sách luyện thanh bằng tiếng Pháp từ Pháp. Giọng hát của bà có âm vực rộng, nằm giữa nữ trung và nữ cao, nên thể loại nhạc bà hát cũng rất đa dạng, phong phú.

Thời kỳ đầu, bà thường hát chung với ca sĩ Thái Hằng ở các chiến khu Việt Minh và nổi tiếng với các bài tân nhạc thời kỳ đầu, hay các bài dân ca mới của Phạm Duy. Tuy rằng ở vùng kháng chiến, nhưng tiếng hát của bà và Thái Hằng vẫn được phát sóng ở đô thị như trường hợp bài Quê em miền trung du của Nguyễn Đức Toàn, trên đài Pháp Á, và được đông đảo người yêu thích. Đến năm 1951, khi chuyển về Nam sinh sống, bà chính thức lấy nghệ danh Thái Thanh cho giống người chị Thái Hằng.

Năm 1951, bà theo gia đình Phạm Duy vào Sài Gòn lập nghiệp trong gánh hát Thăng Long. Lúc ấy bà 16 tuổi, được Phạm Duy huấn luyện, chỉ bảo tận tình về nhạc lý và kỹ thuật, đồng thời cũng tự luyện tập, trau dồi kỹ năng xướng âm của mình. Tại đây bà tiếp tục đi hát với các chủ đề về quê hương và tình cảm đôi lứa. Giọng hát của bà tỏ ra rất thích hợp với các loại nhạc đa dạng của nhạc sĩ Phạm Duy, từ những bài nhạc kháng chiến, nhạc quê hương, nhạc tình, nhạc xã hội, cho tới các bản trường ca đều được bà để lại một dấu ấn lớn. Bên cạnh đó, bà cũng là ca sĩ hát thành công rất nhiều ca khúc tiền chiến xưa, hay nhạc tình đương thời của các nhạc sĩ trẻ hơn.

Bà thật sự nổi tiếng trong thập niên 1950, được rất nhiều giới yêu thích từ giới trí thức cho tới bình dân. Bà được coi như một diva tầm cỡ nhất của Việt Nam thời đó. Tiếng hát của bà ngự trị trên khắp các chương trình ca nhạc truyền thanh, truyền hình của Việt Nam Cộng Hòa. Trong giai đoạn đầu thập niên 1970, bà cùng với ban hợp ca Thăng Long thường xuyên biểu diễn tại vũ trường ăn khách Đêm màu hồng.[2].

Sau biến cố 30 tháng 4 năm 1975, Thái Thanh ở lại Việt Nam. Ban đầu bà được chính quyền cộng sản mời biểu diễn các ca khúc cách mạng, nhưng Thái Thanh không chấp nhận. Do không có thái độ hợp tác, bà bị cấm hát suốt 10 năm, cho đến khi rời khỏi Việt Nam.[10]

Năm 1985, Thái Thanh sang Hoa Kỳ định cư cùng với gia đình. Tại đây bà tiếp tục đi diễn, thâu âm, tham gia những đêm nhạc lớn cho mình. Bà là khách mời danh dự của nhiều đêm nhạc hội lớn của Paris By Night. Bà cũng được mời thu thanh trên nhiều CD của trung tâm Diễm xưa. Tại quận Cam, bà cùng với nhạc sĩ Nghiêm Phú Phi từng mở ra một lớp dạy hát, đào tạo ra một số ca sĩ trẻ.

Năm 2000 Thái Thanh bị tai biến mạch máu não phải vào bệnh viện.[10] Sau tuy hồi phục nhưng năm 2002, bà chính thức tuyên bố giải nghệ sau một đêm diễn cùng với các con cháu. Tuy nhiên khoảng thời gian sau đó, thỉnh thoảng bà vẫn tham gia giọng hát của mình vào các đêm diễn với vai trò đặc biệt.

Năm 2005, một đêm nhạc thính phòng nhằm mang tên "Vinh danh Thái Thanh, tiếng hát vượt thời gian" được tổ chức tại Montreal, Canada, với sự tham gia của Thái Thanh cùng nhiều ca sĩ nổi tiếng của thế hệ sau như Tuấn Ngọc, Ý Lan, Trần Thu Hà,... Trong đêm nhạc này màn trình diễn của bà được đánh giá là xuất sắc, dù trước đó đã có nhiều nghi ngờ về tuổi tác, cũng như sức khỏe của bà.[3][14]. Năm 2006, bà trở lại là nhân vật chính trong đêm nhạc "Thái Thanh và ba thế hệ"[2].

Năm 2007, bà làm Ban Giám Khảo cho Talent Show 2007 Giải Chung Kết do trung tâm Thúy Nga tổ chức. Đó là cuốn Paris By Night 87. Cùng với các giám khảo là: nhạc sĩ Nhật Ngân, ca nhạc sĩ Đức Huy, giám đốc sản xuất Huỳnh Thi và Shanda Sawyer.