生于莫斯科，卒于瑞典斯德哥尔摩。柯瓦列夫斯卡娅在俄国靠私人教师的传授完成高等教育。1869年到德国，跟数学家K.外尔斯特拉斯工作了五年，写了三篇关于数学和力学的论文。1874年格丁根大学根据这些论文缺席授予她哲学博士学位。不久，她回到俄国，因未能获得自然科学方面的职位，只好从事文学和政论活动。然而 ，她的科学工作得到P.L.切比雪夫等人的赏识，她多次被邀请在全俄学术会议上作报告。1883年11月去瑞典，任斯德哥尔摩大学副教授，1884年任教授。1888年她写了《论刚体定点转动问题》的论文，法国科学院为此授予她博罗丹奖金。次年，因刚体定点转动问题的第二篇论文又获瑞典科学院奖金。1889年在切比雪夫等人提议下，她被选为彼得堡科学院通讯院士，科学院还为此做出了关于容许妇女当选通讯院士的决定。

柯瓦列夫斯卡娅在力学上主要研究关于在重力作用下刚体绕定点转动问题 （见重刚体定点转动）。她把L.欧拉和J.-L.拉格朗日在这方面的工作推进了一大步。柯瓦列夫斯卡娅研究的刚体的主转动惯量、和满足，且重心在惯性椭球面的赤道面内。在这种情况中，除了常见的三个初积分（方向余弦积分、动量矩积分、能量积分）外，她还得出微分方程组的第四个初积分，从而使解可用超椭圆积分来表示。20世纪初的研究表明，重刚体定点转动微分方程除了欧拉、拉格朗日和柯瓦列夫斯卡娅所研究的三种情况外，一般不存在第四个代数初积分。  

柯瓦列夫斯卡娅在德国所写的论文中有一篇是研究土星光环的。P.-S.拉普拉斯对此也曾作过研究，并认为环的横截面是椭圆的，而她则认为不是椭圆，而是只有一条对称轴的卵形线。她误以为光环是液体。但从力学来说，她提出了液体卵形环带运动稳定性这个一般性问题。后来证明，这样的环体在受到外力扰动时的运动是不稳定的。