De nombre de soltera Lynn Petra Alexander, nació el 5 de marzo de 1938, en la ciudad de Chicago (Illinois, Estados Unidos). Fue la primera de las cuatro hijas del matrimonio Leona Wise y Morris Alexander, ama de casa y abogado, pareja con arraigo en la ciudad y posición acomodada. Se crio en el seno de una familia judía, sionista.
Titulada en zoología y genética por la Universidad de Wisconsin y doctora en genética por la Universidad de California-Berkeley. Catedrática de biología de la Universidad de Massachusetts y codirectora del departamento de biología planetaria de la NASA.
A finales de los años 60, el físico británico James Lovelock, con el respaldo científico de Lynn Margulis, lanzó la polémica y célebre hipótesis de que la Tierra y todos sus seres vivos constituyen una entidad compleja autorregulada, a la que llamaron Gaia.
Margulis fue autora de la teoría de la simbiogénesis, que explicaría el origen de las primeras células con núcleo a partir de la fusión de bacterias primitivas hace miles de millones de años. En su teoría endosimbiótica, propone que las células eucariotas (células de animales, plantas, hongos y protoctistas) se habrían originado a partir de diferentes células procariotas (sin núcleo) mediante una relación simbiótica que llegó a ser permanente. La expuso por primera vez en 1967. Las investigaciones de las últimas décadas han venido confirmando en casi todos sus puntos su teoría. Se descubrió, por ejemplo, que las estructuras moleculares de los cloroplastos y las mitocondrias están más relacionadas con bacterias extrañas que con las células en las que están incorporados desde hace mil o dos mil millones de años.
Junto con el científico Robert Whittaker, propuso una clasificación de los seres vivos en cinco reinos a partir de la simbiogénesis (Monera, Protoctistas, Plantas, Animales y Hongos), en lugar de los tres "vigentes" (Mineral, Vegetal y Animal).
Autora de casi 200 artículos de todo tipo. Miembro de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos desde 1983, de la Academia Rusa de Ciencias Naturales desde 1997 y de la Academia Americana de Artes y Ciencias desde 1998. En 1999 recibió la Medalla Nacional de Ciencia.
Casada desde 1957 a 1965 con el astrónomo Carl Sagan. Tuvieron dos hijos, Dorion Sagan, quien se convertiría en escritora científica y su colaboradora, y Jeremy Sagan, desarrollador de software y fundador de Sagan Technology.
En 1967, se casó con Thomas N. Margulis, un cristalógrafo, con el que tuvo a Jennifer Margulis y Zachary Margulis-Ohnuma. Se divorciaron en 1980.
Lynn Margulis falleció en Amherst el 22 de noviembre de 2011, cinco días después de sufrir un derrame cerebral.