Родилась в Койокане (пригород Мехико) 6 июля 1907 в семье фотографа, эмигрировавшего из Германии (мать ее была мексиканкой). Получив тяжелое повреждение позвоночника в результате автобусной аварии (1925), в процессе длительного и тяжелого двухлетнего лечения занялась искусством. Центральное место среди самодеятельных работ заняли автопортреты, близкие провинциальному латиноамериканскому портрету 19 в., проникнутому духом «наивного искусства». В 1928 вступила в Коммунистическую партию Мексики, а через год вышла замуж за Д.Риверу и провела с ним три года (19301933) в США, где он работал над монументальными росписями. В картинах и графике Кальо, созданных в это десятилетие, символико-мифологических либо по-прежнему автопортретных, драматически выразились новые физические травмы (связанные с абортом, а затем выкидышем при последующей беременности), а также тяжелые конфликты с мужем, завершившиеся в 1939 разводом.
В окружении Риверы Кальо познакомилась с Л.Д.Троцким и поэтом А.Бретоном, который причислил ее живопись к сюрреализму и стимулировал первую волну известности художницы в США и Европе. Вновь став женой Риверы (1941), Кальо, однако, с той поры жила более самостоятельно, работая преподавательницей в художественной школе «Ла Эсмеральда» в Мехико. Вскоре боли в поврежденном позвоночнике заставили ее уединиться в родном доме. С 1950 она передвигалась в инвалидной коляске, а в 1953 подверглась ампутации правой ноги. Характерные для мексиканского искусства тех лет мотивы социальной борьбы и индейской мифологии перемежались в ее живописи с аллегориями собственных страданий (Сломанная колонна, 1944; Раненный олень, 1946; обе работы в частных собраниях, Мехико).
Умерла Кальо в Койокане 13 июля 1954. В 19801990-е годах в связи с бурным расцветом культурологического феминизма наследие Кальо выдвинулось на авансцену современного искусства, особенно после того как (в 1995) были изданы ее переписка и дневник 19441954. Дом, где она родилась и умерла, ныне превращен в музей.