Véronique Sanson voit le jour le 24 avril 1949 à Boulogne-Billancourt, fille de René Sanson, avocat et député de Paris, et de Colette Lucas. Élevée aux côtés de sa sœur aînée, Violaine, dans le 16ᵉ arrondissement de Paris, elle s'initie très tôt au piano, développant rapidement un talent singulier pour le chant. Durant son adolescence, elle fonde avec sa sœur le groupe Les Roche Martin, en collaboration avec François Bernheim, et publie un 45 tours, mais le groupe se dissout rapidement.

En 1969, Véronique entame sa carrière en solo en publiant son premier 45 tours, "Le printemps est là". Sa rencontre avec Michel Berger, directeur artistique chez WEA, en 1972, marque un tournant décisif. Cette année-là, elle enregistre son premier album, "Amoureuse", qui devient immédiatement double disque d'or. Son parcours la mène ensuite aux États-Unis avec le guitariste américain Stephen Stills, membre du groupe Crosby, Stills, Nash & Young, avec qui elle enregistre trois albums : "Le Maudit" (1974), "Vancouver" (1976) et "Hollywood" (1977).

De retour en France en 1979, elle continue de jouir du succès. En 1981, l'album "Laisse-la vivre" devient disque d'or, et elle entame une vaste tournée européenne. Sur le plan personnel, elle traverse une période difficile lors d'une bataille juridique pour la garde de son fils avec son ex-mari. En 1992, son dixième album, "Sans regrets", la propulse en tête des ventes et lui vaut sa première Victoire de la musique en 1993. Elle enchaîne les triomphes avec l'album live "Comme ils l’imaginent" (1995) et "D'un papillon à une étoile" (1999). Elle est la première artiste à remporter deux Victoires de la musique, en 1993 et en 1996.

Pendant les années 2000, atteinte d'une maladie génétique sanguine, elle espacera la sortie de ses albums, dévoilant "Longue distance" en 2004 et "Plusieurs lunes" en 2010. À partir de 2011, elle entreprend une tournée qui la maintient sur les routes pendant deux ans. En 2013, elle reçoit une Victoire de la musique d'honneur.

En 2016, Véronique Sanson fait un retour remarqué avec l'album "Dignes, dingues, donc…" et une série de concerts. Son nouvel opus, "Duos volatils", impliquant de nombreux artistes tels que Patrick Bruel et Juliette Armanet, sort le 23 novembre 2018.

Le 11 septembre 2018, son producteur Gilbert Coullier annonce l'annulation de sa tournée prévue en novembre, en raison d'un cancer des amygdales dont souffre la chanteuse.

Du côté de sa vie privée, après une relation avec Michel Berger, Véronique Sanson épouse Stephen Stills en 1973, donnant naissance à leur fils Christopher en avril 1974. Le couple se sépare après quelques années, et le divorce est prononcé en 1980. En juin 1995, elle se marie avec l'humoriste français Pierre Palmade, mais leur union prend fin au début des années 2000, aboutissant au divorce en mai 2004. Pierre Palmade révèle plus tard son homosexualité. La chanteuse refait sa vie avec Christian Meilhan, rencontré aux Alcooliques anonymes.