Francoise Qouirez néven jött világra a dél-franciaországi Cajarc városkában. Gyermek- és ifjúkorát Párizsban töltötte. 1951-ben a Sorbonne-on kezdte bölcsészeti tanulmányait, amelyeket végül nem fejezett be. Érdeklődése egyre inkább az irodalom felé fordult, s 1954-ben, 18 éves korában René Juillard könyvkiadónak elküldte első regénye, a Jó reggelt, búbánat! kéziratát.

Művét - Proust nyomán - már Sagan néven jegyezte apja kérésére, aki szerette volna, ha lánya igazi nevét jótékony félhomály fedi. A regény megjelenése az 1954-es év irodalmi eseménye lett, elnyerte a kritikusok díját és szerzőjének rövid idő alatt világhírt szerzett.

A mű egy unatkozó, szomorú és cinikus kamaszlány története, akinek zavaros érzelmeit Sagan nagy empátiával, tiszta, klasszikus nyelven közvetíti. A könyvből 1957-ben Otto Preminger rendezett nagy sikerű filmet, amelyben a főhősnőt a tragikus sorsú Jean Seberg alakította.

1955-ben Sagan New Yorkba utazott, ahol megjelent a Jó reggelt, búbánat angol fordítása. Itt találkozott össze Truman Capotéval, Carson McCullers-szel és Tennessee Williams-szel, akivel barátságot is kötött, olyannyira, hogy Az ifjúság édes madarát Párizsban Sagan vitte színre.

1957-ben súlyos autóbalesetet szenvedett, ennek következtében hetekre mozdulatlanságra ítéltetett. Az 1959-es év termése a Szereti Brahmsot? című regény, amelynek 1987-es Anatole Litvak-rendezte filmváltozata rendkívüli sikert aratott, elsősorban a parádés szereposztás, Ingrid Bergman, Yves Montand és Anthony Perkins alakítása miatt. Ekkor már a prózaírás mellett egyre inkább foglalkoztatta a színház is, s megírta első színdarabját Kastély Svédországban címmel, amelyet a L'Atelier színház mutatott be óriási sikerrel.

1963-ban ismét színdarabot írt Valentine mályvaszínű ruhája címmel, majd érdeklődése a film felé fordult. A neves rendezővel, Claude Chabrollal együtt megírta a Landru című film forgatókönyvét, majd 1976-ban ő maga is rendezett filmet Kék páfrányok címmel. Sokoldalúságát jelzi, hogy sanzonszövegeket és tévéjátékokat is írt. 1984-ben Örök emlékül címmel megjelent novelláinak gyűjteménye.

A jómódú családból származó, az élet örömeit nagy kanállal fogyasztó írónő élete utolsó évtizedében fokozatosan elmagányosodott, saját otthonát is elveszítette, többnyire ismerőseinél lakott, számos betegség gyötörte, tucatnyi műtéten esett át, s 2002-ben adócsalásért is elítélte a bíróság. Magányosan, elfeledve halt meg 2004. szeptember 24-én Honfleur kórházában.