Nació el 20 de noviembre de 1858 en la propiedad familiar de Mårbacka (Suecia). Una lesión de cadera condicionó su movilidad infantil y le aficionó a la lectura. El deterioro de la economía familiar la impulsó a convertirse en maestra y fue destinada a la escuela de Landskrona, donde comenzó a escribir.

La baronesa Sophie Adlersparre, principal figura del feminismo sueco, leyó sus poemas y la animó a desarrollar su obra en prosa. Escribió su famosa novela La saga de Gösta Berling y en 1895, gracias al mecenazgo del rey Óscar II y de la Academia Sueca, abandonó la docencia para dedicarse plenamente a la escritura. Sus obras, tendentes a difuminar los límites entre el sueño y la realidad, tuvieron gran éxito. Sobre todo El maravilloso viaje de Nils Holgersson a través de Suecia, por cuyas páginas desfilan geografía, mitología y costumbres del país, surgió del encargo de un manual de Geografía que le hizo el Consejo de Educación sueco.

En 1909 se convirtió en la primera mujer galardonada con el Premio Nobel de Literatura y pudo recuperar la finca familiar de Marbacka, actualmente sede del Museo y la Fundación Selma Lagerlöf.

En 1911 inauguró en Estocolmo el Congreso Internacional por el Sufragio Femenino y, tres años después, fue la primera mujer elegida miembro de la Academia Sueca, institución que otorga el Premio Nobel de Literatura.

Al final de su vida ayudó a escapar de la persecución nazi a varios intelectuales alemanes que se refugiaron en Suecia, entre los que destaca la futura Premio Nobel de Literatura, Nelly Sachs. Murió en su casa de Marbacka el 16 de marzo de 1940, a los 81 años.