歌手であるが、ハイトーンの独特な声質や、ルックスの良さ（可愛さ）からアイドル視される事もしばしばあった。事実、当初はキャンディーズの一員としてデビューする予定だったが、田中好子と交代している（松下治夫「芸能王国渡辺プロの真実」）。歌謡曲を歌う庶民的なアイドル歌手と、1970年代に台頭してきたフォーク系歌手との中間的なイメージがあり、独特な位置づけの人気歌手になった。

8歳からピアノを習い始める。

1967年に上野学園中学校音楽指導科声楽科に入学する。 1969年、中学3年のときに友人のかわりにスクールメイツのオーディションをうけ、合格する。受験理由はザ・タイガースが見たかったため。 これにより渡辺プロの東京音楽学院に入ることとなった。

1972年(高校3年)の11月にはNHKのテレビ番組『ステージ101』内「ヤング101」の内部オーディションを受け、ショパンの「子犬のワルツ」をひいて合格する。1973年1月にはスクール・メイツから『ステージ101』レギュラーメンバーへ以降、レギュラーは1974年3月まで続く。101から芸名を本名の弘美から「裕美」へと変更した。上野学園では芸能関係の音楽学院への通学は禁止されていたため、初期は学校に内緒で通っていたが、テレビに出ることにより許可が必要になるが、普段の素行のよさから特例で認められた。

『ヤング101』終了後、オーディション番組に出て優勝、渡辺プロと新人養成契約を結び、ライブハウス等でピアノの弾き語りで歌い始める。

1974年11月1日に「雨だれ/白い季節」でデビュー。デビュー初期はフォーク調で、ピアノによる弾き語りの曲が多かった。

1975年12月に3作目のアルバム『心が風邪をひいた日』からシングルカットされた「木綿のハンカチーフ」が大ヒット、翌1976年のオリコンチャート4位を記録（1位は子門真人「およげ!たいやきくん」）、スター歌手の仲間入りを果たした。なお、NHK紅白歌合戦には初登場の1976年から1980年まで、5年連続で通算5回の出場経験がある。

この後の曲調はポップスが中心となり、その後も1976年から1977年にかけて「赤いハイヒール」「最後の一葉」「しあわせ未満」「九月の雨」などをリリースしてヒットさせる。しかしその一方で多忙をきわめ、喉を痛めるなどの苦労もあった。

既存のアイドル歌手にはない清潔さと品を感じさせる一方で、フォーク系歌手にありがちな暗く孤高なイメージも皆無なため、大学生などに絶大な人気を誇り、渡辺プロ公式ファンクラブができるより早く、東京大学で太田裕美ファンクラブが結成された。いわゆる「学園祭の女王」という称号を得た最初の歌手とも言われている。

1982年に8ヶ月間アメリカ合衆国、ニューヨークに単身留学（「八番街51丁目より」で第4回ニッポン放送青春文芸賞優秀賞を受賞）帰国後には『ニューヨークなんて怖くない』を執筆。また帰国後はディレクターがデビュー時からの白川隆三から、後に夫となる福岡智彦に変わり、テクノポップ調の曲を多くリリースするようになった。このニューウエーブ系路線は、「4人目のYMO」といわれた松武秀樹、銀色夏生（山元みき子）、BaNaNa、板倉文、ホッピー神山、岡野ハジメ、杉林恭雄などがサポートしていた。

1985年にディレクター兼プロデューサーの福岡智彦と結婚、子育てに専念するため活動を大幅に縮小する。 1980年代後半からは遊佐未森らへの楽曲提供も行うようになる。

1998年に子育て（男の子2人）が一段落したため活動を再開、ミニアルバム『魂のピリオド』をリリース、松本隆、筒美京平とのゴールデントリオを復活させた。

アメリカの独創的な弦楽四重奏グループ・クロノス・カルテットのアルバム『弦楽四重奏曲の諸相 II〜冬は厳しく』には、太田の朗読がフィーチャーされている。

かつて福武書店（現・ベネッセコーポレーション）の「進研ゼミ」のCMで女の子（実の子供ではないが）と共演した様に、近年は主婦としてのテレビ、雑誌出演が多く、同年代の主婦層からはカリスマミセスとしての一面を見せる。

2005年、かねてから親交のあったミュージシャンAYUOとの連名でアルバム『RED MOON』を制作、ニューヨークのレーベルTZADIKから1月20日のちょうど50歳の誕生日にアメリカで発表。全曲に太田裕美のヴォーカルがフィーチャーされており、隠れたオリジナルアルバムともいえる作品になっている。曲のなかには自宅の地下スタジオでレコーディングされた曲もある。

2009年現在でも、コンサートツアーやテレビ・ラジオ出演などで精力的に活動している。また太田、伊勢正三、大野真澄の3人で全国をまわっている『アコースティックナイト』コンサートを開催していて、好評を得ている。この3人は「なごみーず」と呼ばれるユニットを組んでおり、５年間に1３０本を超えるコンサートを行っており、観客動員数も１３万人を突破した。また2007年12月2日にはコンサート会場と通販のみの限定リリースで、ライブ盤のCD「アコースティックナイト」を発売した。