Hija de una familia rica de São Paulo, Tarsila do Amaral inició sus estudios en colegios paulistas y luego, en 1902, en el Sacré-Coeur de Barcelona, donde comenzó a experimentar copiando pinturas ajenas. Tras su retorno al país, en 1904, se casó por primera vez. En 1916 fue modelo vivo en el atelier del escultor sueco radicado en São Paulo William Zadig. Al año siguiente estudió pintura con el académico PedroAlexandrino e inauguró su primer atelier en São Paulo. En 1920 viajó a París para estudiar en la Académie Julian con Emile Renard, y dos años más tarde presentó su obra Passaporte en el Salon Officiel des Artistes Français de aquella ciudad.
Por intermedio de su amiga, la pintora Anita Malfatti, Tarsila supo de los acontecimientos de la Semana de Arte Moderno, y de regreso a Brasil estableció contacto con los artistas participantes, en especial con Oswald de Andrade, con quien se fue a vivir al año siguiente, cuando ambos regresaron a París. En la capital francesa estudió con André Lhote, y después con Albert Gleizes y con Fernand Léger, y mantuvo una estrecha relación con el poeta Blaise Cendrars y muchos otros artistas de la vanguardia parisina.
Durante ese período pintó cuadros que habrían de ser famosos, como Caipirinha y A negra. En 1924 regresó a São Paulo y visitó varias ciudades históricas de Minas Gerais –en compañía de Oswald de Andrade, Blaise Cendrars y otros–, experiencia que imprimió en su obra un viraje del cubismo hacia el trabajo con los colores y la “brasilidad vital”. Ese mismo año, Tarsila ilustró el Manifesto Pau-Brasil –marco de referencia de una nueva fase del Modernismo brasileño–, y los libros de Blaise Cendrars Feiulles de Route y Le Formose. En 1926, año en que se casó con Oswald, realizó su primera exposición individual en París. Su cuadro más famoso, Abaporu, de 1928 (que actualmente forma parte de la Colección Constantini, en Buenos Aires), inspiró el Manifesto antropofágico de Oswald de Andrade. De la etapa antropofágica de Tarsila se destacan, entre otras obras, O sono y Urutu.
En 1929, cuando se separó de Oswald, sus obras fueron exhibidas en grandes exposiciones en Río de Janeiro y São Paulo y, al año siguiente, en París y en el Roerich Musem de Nueva York. Dos años más tarde, y ya comprometida con la izquierda brasileña (militancia que la llevaría a prisión en 1932), expuso en Moscú, en el Museo de Arte Moderno Occidental, y en París, en el Salon des Surindépendants. En 1933 concluyó dos célebres pinturas de temática social, Operários y Segunda classe, que fueron presentados en 1934 en el I Salón Paulista de Bellas Artes. También participó en la I Exposición de Arte Moderno de la SPAM –Sociedad Pro-Arte Moderno– en São Paulo, y expuso en el Palace Hotel de Río de Janeiro.
En 1936 comenzó a escribir columnas sobre arte y sociedad para varios periódicos. Entretanto, sus cuadros seguían formando parte de distintas exposiciones, como la Exposición Latinoamericana de Artes Plásticas del Riverside Museum de Nueva York, la muestra colectiva de artistas brasileños que en 1939 albergó la Royal Academy of Arts de Londres, y la exposición de veinte artistas brasileños que en 1944 recorrió Montevideo, Buenos Aires y La Plata, acontecimiento que dio origen al libro La pintura brasileña contemporánea, del crítico argentino Jorge Romero Brest, publicado en 1945. Al año siguiente, Tarsila expuso también en Chile, en las ciudades de Santiago y Valparaíso.
En 1950, el crítico Sérgio Milliet organizó una retrospectiva de la artista en el Museo de Arte Moderno de São Paulo. Asimismo, participó en la I Bienal (de 1951), a la que volvió en 1953, tuvo una sala especial en la VII Bienal de 1963, expuso nuevamente en la XII Bienal de 1973, en la “Bienal Nacional” de 1974, en la XV de 1979, la XIX de 1987, y la XXIV de 1998. Sus trabajos estuvieron presentes también, en 1957, en la exposición Arte Moderno en Brasil, del Museo Nacional de Bellas Artes de Buenos Aires. En 1963 sus obras fueron transportadas a Norteamérica para ser expuestas en la Galería de Arte de la Universidad de Yale, en la muestra titulada Art of Latin America Since Independence, y en el Museo de Arte de la Universidad de Texas. En 1964 formó parte de la XXXII Bienal de Venecia, y, en 1969, el Museo de Arte Moderno de Río de Janeiro inauguró una gran exposición dedicada a su obra: Tarsila: 50 Años de Pintura, organizada por su biógrafa, la crítica Aracy Amaral.