Flagstad ble født på Hamar, men vokste opp i Kristiania. Hun bodde aldri på Hamar slik mange tror. Faren, Michael Flagstad, var fiolinist og orkesterleder mens moren, Maja Flagstad, var repetitør/pianist. Hun ble Kirstens første lærer. Siden studerte Kirsten under Ellen Schytte-Jacobsen og Albert Westvang i Oslo og under dr. Gillis Bratt i Stockholm.
Flagstad debuterte som operasanger på Nationaltheatret i 1913, som Nuri i d’Alberts Tiefland. Johan Halvorsen dirigerte oppsetningen og Vilhelm Herold hadde rollen som Pedro. Da Opera Comique åpnet i Kristiania i 1918, hadde hun mange store roller der, før driften ble lagt ned i 1921. Hun sang så ved Casino, Mayol og Nationaltheatret, før hun ble engasjert til flere store operaoppsetninger i Göteborg. Hun ble kalt til Richard Wagners Bayreuth i Tyskland og sang ved festspillene der i 1933 og 1934, før hun året etter, i februar 1935, gjorde sin sensasjonelle debut på Metropolitan Opera i New York som Sieglinde. Den i verdenssammenheng ennå ukjente, dramatiske sopranen Kirsten Flagstad var i løpet av en lørdag formiddag blitt verdens største stjerne og hadde reddet «The Met» fra å gå konkurs.
Kirsten Flagstad ble særlig berømt for sine tolkninger av Richard Wagners musikk, men har også sunget operaer av Verdi, Puccini, Mozart, Beethoven, Bizet, Gluck, Händel, Gounod og mange andre. Flagstad var fast engasjert ved The Metropolitan i New York fra 1935 til 1941, da hun reiste hjem til Norge for å kunne forenes med sin mann Henry Johansen. Ektemannen var medlem av Nasjonal Samling. Etter påtrykk fra stedatteren formådde Flagstad å få ektemannen til å melde seg ut av partiet og frasi seg sine offentlige verv. Etter krigen ble hennes mann arrestert som krigsprofitør.
Dette forhold og den kjensgjerning at hun reiste hjem til det okkuperte Norge, gjorde henne upopulær i Norge og de andre allierte land. Ektemannens formue var beslaglagt i påvente av landssviksaken mot Johansen og hans firmaer. Kirsten fikk ikke nytt pass idet myndighetene fryktet at hun skulle forlate Norge før saken kom opp til doms. Myndighetene betraktet henne som et viktig vitne. Til tross for at hun under krigen bare hadde opptrådt i land som ikke var okkupert av tyskerne, som Sverige og Sveits og nektet å opptre på arrangementer i regi av okkupasjonsmakten eller Nasjonal Samling, ble hun bebreidet for unasjonal holdning. Flagstad var aldri medlem av NS og gikk aldri fienden til hånde. Likevel klebet ryktene om tyskvennlighet ved hennes navn i mange år etter frigjøringen i 1945. Under de første Festspillene i Bergen nektet kong Haakon VII å være til stede ved åpningsseremonien og åpningskonserten hvis Flagstad ble invitert.
Etter den andre verdenskrig var hun fra 1949-1952 tilbake ved Metropolitan og fortsatte som tidligere sine turnéer rundt i verden, på det nordamerikanske kontinent, Sør- og Mellom-Amerika, Australia og ved de store europeiske konsert- og operascener. Hennes tolkninger av operalitteraturens kvinneskikkelser, ikke minst hos Wagner og Beethoven, satte dype spor, reddet Metropolitan-operaens økonomi og ga henne en berømmelse som varer. Hun ble betegnet som «Århundrets stemme».
Kirsten Flagstad var Den Norske Operas første sjef, i perioden 1958–60. I denne perioden arbeidet hun uten å heve lønn, og bidro med meget betydelige, private midler for å kunne engasjere en håndfull unge, lovende sangere som stipendiater. Av egne midler bidro hun også til at Operaorkestret kunne mønstre 35 musikere fra starten i stedet for de 28 som var til rådighet i grunnstammen fra Nationaltheatrets orkester.
