İstanbul'da doğdu. Ahmed Cevdet Paşa ile Rabia Adviye Hanım'ın kızıdır. Aile çevresinde başta babasından olmak üzere hususi hocalardan ders almış, iyi bir eğitim görmüş ve yabancı dil öğrenmiştir. Eserlerini küçük yaşlarda okumaya başladığı Ahmed Midhat Efendi, onun henüz beş yaşında mushaf-ı şerifi hatmettiği Mızraklı İlmihal, Mevlîd-i Şerîf gibi kitapları okuduğunu söyler. Ağabeyi mantıkçı Ali Sedad'ın kitaplarını da okumuş, ona verilen tarih, coğrafya, astronomi gibi derslerden Fatma Aliye de istifade etmiştir.

1878'de II. Abdülhamid'in yaverlerinden kolağası Fâik Bey'le evlenmiştir. Bu süreçte aynı zamanda telif ve tercüme yazılarla Tercümân-ı Hakîkat'te yazmaya başlamış ve büyük ilgi görmüştür. Yetişmesinde emeği olan Ahmed Midhat 1885'te Fatma Aliye Hanım Yahud Bir Muharrire-i Osmâniye'nin Neş'eti adlı eseri ile ilk defa bir Osmanlı kadın yazarının monografisini yazmıştır.

Fatma Aliye, küçük yaşlarda Beyrutlu İlyas Matar Efendi'den Fransızca öğrenmiş, tabii ilimler, kıraat ve kitabet, gramer okumuş, ilaveten piyano dersleri almıştır. Bu dönemde Cezzâr Ahmed Paşa ile Napolyon Bonapart'ın muharebesi hakkında bir tiyatro oyununu tercüme etmiştir.

Kızının, G. Ohnet'in Volonté adlı romanını Meram (1889) ismiyle tercüme etmesi ve kendi eseri olan Muhâdarât'ı neşretmesi Ahmed Cevdet Paşa'yı etkilemiş, onunla ilmî mütalaalarda bulunmuş, felsefe, mantık, belagat, edebiyat, tarih ve hukuk üzerine tartışmalar yapmışlardır. Bu süreçte birlikte Mesnevî, Mukaddime ve Kasîde-i Bürde okumuşlar; Aristo, Eflâtun, İbn Haldun, İbn Rüşd ile İmam Gazzâlî'nin felsefelerini karşılaştırmışlardır. Fatma Aliye, Avrupa filozoflarından Descartes, Spinoza, Darwin ve A. Comte'a kadar ilgi alanlarını genişletmiştir. Karşılıklı konuşmalar şeklinde gelişen bu dersler Dürûs-ı Aliye adı ile kitaplaşmıştır.

Fatma Aliye, eserleri kendisi hayattayken İngilizce, Fransızca ve Arapça'ya çevrilen ilk Osmanlı kadın yazarıdır. Târîh-i Osmânînin Bir Devre-i Mühimmesi Kosova Zaferi-Ankara Hezimeti (1913) ve Ahmed Cevdet Paşa ve Zamanı (1914) ile ilk Türk kadın tarih yazarı olarak da tanınmıştır. Terâcim-i Ahvâl-i Felâsife (1901), Tedkîk-i Ecsâm (1901) adlı eserleriyle de felsefe tarihine ve tartışmalarına katkıda bulunmuştur.

Fatma Aliye Hanım romanlarında ve makalelerinde kadınların eğitimi, gençlerin ve çocukların terbiyesi üzerinde önemle durmuştur. Ahmed Midhat Efendi ile birlikte yazdıkları Hayâl ve Hakikat (1891), kendi yazdığı Muhâdarât (1891), Re'fet (1896/1897), Ûdî (1897/1898), Levâyih-i Hayât (1898), Enîn (1910) isimli romanlarında idealize edilmiş müslüman kadın tipleri ile kadının toplumda söz sahibi olabilmesi için çalışmasının ve öğrenmesinin esas olduğu fikrini vurgulamıştır. Eğitimli annelerin çocuklarını daha iyi yetiştirdiklerini, aile ortamı ve sosyal ilişkileri sağlamada daha etkili olduklarını belirtmiştir. Yazar kadrosunda yer aldığı, devrin önemli yayın organlarından ve aynı zamanda bir eğitim aracı rolünü de üstlenen Hanımlara Mahsus Gazete'nin (1895-1908) "iyi anne, iyi eş, iyi müslüman" ilkesini eserlerinde benimsemiştir.

Fatma Aliye'nin geleneksel, tarihî ve dinî değerlere bağlılığı eserlerinde kendini göstermekle birlikte o zamanın ilke ve değerlerini de benimsemiş bir yazardır. Nisvân-ı İslâm'da (İslam kadınları, 1891/1892) Osmanlı aile ve harem hayatında kadınlığın durumuyla ilgili bilgiler vermiştir. Türk-İslam kadınlarını anlattığı Nâmdarân-ı Zenân-ı İslâmiyân (Meşhur müslüman kadınlar, 1901) adlı eserindeki amacı sadece müslüman kadınları Avrupa'ya tanıtmak değildir; aynı zamanda kadınların eğitimsizliğinin sebebinin, Türklük ve İslamiyet ile ilgisi olmadığı tezini doğrulatmaktır.

Fatma Aliye Hanım, Avrupa kültürünün sadece ilmî ve felsefî tarafına önem verdiğini belirtir. Eserlerinde çoğu kere Batılılar'ın disiplinli çalışmalarını ve çocuk terbiyesindeki hassasiyetlerini vurgular. Fatma Aliye'nin eğitim ve kültür bakımından çağdaşlarına önerisi, içinde bulunduğu değerler dünyasına bağlı kalarak modern dünyayı tanımak ve yaşamaktır. Ona göre yeni nesli, kızları ve anneleri Türklük ve Osmanlılık terbiyesiyle yetiştirmek esastır.

Sosyal yardımlaşma faaliyetlerinde de bulunan Fatma Aliye Hanım 1897'de Osmanlı-Yunan savaşı gazilerine ve şehit ailelerine yardım için Cem'iyet-i İmdâdiye derneğini kurmuş, Hilâliahmer'in ilk kadın üyesi olmuştur. 1924'ten sonra büyük ölçüde kızı Zübeyde İsmet'in tanassur etmesinin üzüntüsüyle sağlığı bozulan ve yazmaya ara veren Fatma Aliye Hanım 1936'da vefat etmiş, Feriköy Mezarlığı'na defnedilmiştir.