A Cardiffhoz közeli Tiger Bayben született 1937. január 8-án egy nigériai tengerész és egy angol anya hetedik gyermekeként. Testvérei, akik anyja különböző kapcsolataiból születtek, meglehetősen sokféle kulturális háttérrel rendelkeztek. Alig volt kétéves, amikor apját egy kiskorú sérelmére elkövetett szexuális bűncselekmény miatt börtönbüntetésre ítélték, majd Nigériába deportálták. Shirley énektehetsége már tizenéves korában feltűnt tanárainak, de valódi támogatást senkitől sem kapott. Tizennégy évesen otthagyta az iskolát, és egy helyi gyárban kezdett dolgozni, emellett bárokban és klubokban énekelt, hogy segítsen anyjának testvérei eltartásában. Tizenhat évesen terhes lett első lányával, Sharonnal, akit egyik testvérére bízott.

Komolyabb bemutatkozási lehetőséget 1955-ben kapott, amikor egy karácsonyi műsorban lépett közönség elé, ennek nyomán jutott lemezszerződéshez a Philips cégnél.

Első lemezfelvételén a Burn My Candle szerepelt, amelyet a BBC nem játszott le kétértelmű szövege miatt, de a tiltás nem vetette vissza a lemez eladási statisztikáját. The Banana Boat Song című dalával 1957-ben a brit tízes toplistára került, két évvel később pedig az As I Love You már listavezető lett. 1961-es kislemeze is élre került a Reach for The Stars és a Climb Ev'ry Mountain című dalokkal. 1963-ban már az Ebony magazin borítóján szerepelt, és a Washingtonban megrendezett szokásos gálán John Fitzgerald Kennedy elnökkel ünnepelte beiktatásának második évfordulóját.

Nelson Riddle amerikai hangszerelővel társulva egyre ismertebb lett az óceán túlsó partján. New Yorkban és Los Angelesben is rendszeresen fellépett, de az igazi amerikai kiugrást a Goldfinger című James Bond-film főcímdala jelentette számára 1965-ben. Egyik legjobb lemeze, a Something 1970-ben az EMI kiadásában jelent meg, a címadó dal, George Harrison szerzeménye legalább akkora siker volt Angliában, mint a Beatles eredeti változata. Ezen a korongon több más kitűnő feldolgozás is hallható az énekesnőtől, köztük a Fool on The Hill szintén a Beatles, a Light My Fire a Doors, a Spinning Wheel a Blood, Sweat and Tears és a My Way Paul Anka repertoárjából. Később is szívesen készített feldolgozásokat világslágerekből. 1971-ben vették fel a Diamonds Are Forever című újabb James Bond-filmbetétet, majd az évtizedet egy másik 007-es betétdallal, a Moonrakerrel zárta. Egyik legnagyobb slágere a Never, Never, Never 1972-ben került a boltokba.

A nyolcvanas évektől leginkább jótékonysággal foglalkozott, és koncerteket adott Európában, valamint az Egyesült Államokban. Felbontotta szerződését kiadójával, és egy időre "félig nyugdíjba vonult". 1984-ben az I Am What I Am című lemezét a Londoni Filharmonikusokkal rögzítette, a karmester Carl Davies volt. 2002-ben meghívták a II. Erzsébet aranyjubileuma alkalmából rendezett estre, majd 2012-ben, a királynő gyémántjubileumán a Diamonds Are Forever című Bond-slágert énekelte. Az utóbbi évtizedben sokat szerepelt a brit televízió adásaiban. 2007-ben, a Glastonbury Fesztiválon való fellépése után jelent meg egyik legsikeresebb albuma, a Get the Party Started. Ezzel ünnepelte a brit slágerlistákon való jelenlétének ötvenedik évfordulóját. Bár a korong nem tartalmazott új dalokat, az albumok sikerlistáján a hatodik helyig kúszott fel.

2009-ben, húsz év után először vadonatúj számokat tartalmazó albummal jelentkezett, a The Performance című korongon egy sor fiatal zeneszerzővel - Gary Barlow-val, Rufus Wainwrighttal, a Pet Shop Boys-zal, KT Tunstall-lal - működött együtt. 2013-ban, életében először lépett színpadra az Oscar-díjátadó gálán: az állva tapsoló közönségnek a Goldfingert énekelte az 50. évfordulóját ünneplő James Bond-franchise előtt tisztelegve. Rajongói 2014-ben vehették kezükbe korábbi dalainak újraértelmezett gyűjteményét Hello Like Before címmel.

Jelenleg Monaco és London között ingázik, és több mint hatvan éven átívelő, ragyogó pályafutása után szinte magányos, titokzatos életet él. Egész életében nehézségekkel küzdött, ha kapcsolatteremtésről volt szó, nemcsak a férfiakkal, hanem általában mindenkivel. Barátait, saját bevallása szerint, egy kezén meg tudja számolni. Első férje, Kenneth Hume, akivel 1961-ben házasodtak össze, homoszexuális volt, és kábítószer-túladagolásban halt meg negyvenévesen. Második férjével, a szállodaigazgató Sergio Novakkal házassága egy évtized után keserű válással végződött. Kisebbik lányát, Samanthát, akinek valószínűleg Peter Finch az apja - bár ezt a színész annak idején tagadta -, 21 évesen az Avon folyóban találták holtan. Shirley Bassey mindig is úgy vélte, lányát meggyilkolták, a rendőrség azonban nem talált bizonyítékot idegenkezűségre.

Shirley Bassey világszerte megközelítőleg 135 millió lemezt adott el. 1999-ben a Francia Köztársaság Becsületrendjével jutalmazták, 2000-ben II. Erzsébet a lovagi rang női megfelelőjének számító, a Dame előnév viselésére jogosító rangra emelte.