Ihr Grossvater war ein wohlhabender Bauer und Kaufmann. Er wurde unter dem kommunistischen Regime enteignet. Ihre Mutter war zu jahrelanger Zwangsarbeit in die UdSSR deportiert worden. Ihr Vater, ein ehemaliger SS-Soldat, verdiente seinen Lebensunterhalt als Lkw-Fahrer.

Nach dem Abitur studierte sie an der Universität des Westens Timisoara Germanistik und rumänische Literatur. Ab 1976 arbeitete sie als Übersetzerin in einer Maschinenfabrik, wurde allerdings 1979 nach ihrer Weigerung, mit der rumänischen Securitate zusammenzuarbeiten, entlassen. Sie verdiente ihren Lebensunterhalt mit zeitweiliger Lehrtätigkeit in Schulen und Kindergärten sowie mit privatem Deutschunterricht.

Ihr erstes Buch Niederungen konnte 1982 in Rumänien, wie alle Publikationen, nur in zensierter Fassung erscheinen. 1987 reiste Herta Müller mit ihrem damaligen Ehemann, dem Schriftsteller Richard Wagner, in die Bundesrepublik Deutschland aus. In den folgenden Jahren erhielt sie eine Reihe von Lehraufträgen als „Writer in residence“ an Universitäten im In- und Ausland. 2005 war sie „Heiner-Müller-Gastprofessorin“ an der Freien Universität in Berlin, wo sie heute lebt.

Herta Müller gehörte bis zu ihrem Austritt 1997 dem P.E.N.-Zentrum Deutschland an; seit 1995 ist sie Mitglied der Deutschen Akademie für Sprache und Dichtung.

2008 entbrannte eine innenpolitische Diskussion um die Teilnahme des Historikers Sorin Antohi und des Germanisten Andrei Corbea-Hoisie an einer Tagung des „Berliner Rumänischen Kulturinstituts“ am 25. Juli 2008, obwohl beide Informanten der Securitate im kommunistischen Rumänien waren. Herta Müller kritisierte deren Einladung in einem offenen Brief. Im Rahmen dieser Auseinandersetzung griff der aus dem Banat stammende Historiker, Philosoph und Literat Carl Gibson Herta Müller an und warf ihr in seinem Buch „Symphonie der Freiheit“ Systemloyalität unter dem Ceausescu-Regime vor.

In einem Artikel in der Wochenzeitung Die Zeit vom 23. Juli 2009 mit dem Titel „Die Securitate ist noch im Dienst“ beschreibt Herta Müller allerdings, welchen Machenschaften des rumänischen Geheimdienstes sie ausgesetzt war und noch heute ist. Die Akten der Securitate offenbaren, dass sie und damit ihre unermüdliche Kritik an der Diktatur Ceausescus durch Diskreditierungsmassnahmen unglaubwürdig gemacht werden sollte. So wurden etwa von der Securitate entworfene Briefe an deutsche Rundfunkanstalten geschickt, in denen sie als Agentin beschuldigt wurde. Weiterhin beschuldigten sie führende Personen der Landsmannschaft der Banater Schwaben, die informelle Mitarbeiter der Securitate waren, im Auftrag der Kommunistischen Partei Rumäniens zu schreiben.

2009 wurde ihr Roman Atemschaukel für den Deutschen Buchpreis nominiert und gelangte ins Finale der besten sechs Romane. In diesem Buch zeichnet die Autorin den Weg eines jungen Mannes in ein Deportationslager nach Russland nach, das exemplarisch für das Schicksal der deutschen Bevölkerung in Siebenbürgen nach dem Zweiten Weltkrieg steht. Als Modell diente ihr dabei das Erleben des 2006 verstorbenen Lyrikers Oskar Pastior.

Am 8. Oktober 2009 wurde bekannt gegeben, dass Herta Müller den Nobelpreis für Literatur für 2009 erhalten wird. Sie habe „mittels Verdichtung der Poesie und Sachlichkeit der Prosa Landschaften der Heimatlosigkeit“ gezeichnet, hiess es in der Würdigung. Begründet wurde die Vergabe des Nobelpreises mit der Intensität der von ihr verfassten Literatur.