Najwcześniejsze dzieciństwo pisarka spędziła w Grójcu i Warszawie. Jako dziecko wiele czytała i już w bardzo młodym wieku marzyła o napisaniu powieści. Najpierw uczyła się w szkole powszechnej. W 1943 roku została oddana do internatu u Sióstr Zmartwychwstanek na warszawskim Żoliborzu. Następnie uczęszczała do gimnazjum, a później wraz rodzicami wyprowadziła się na jakiś czas do Bytomia, skąd potem powróciła do Grójca. Okazało się, że jest w jednej klasie ze swoją dawną koleżanką, Janką (późniejszą absolwentką historii na Uniwersytecie Warszawskim), z którą teraz mogła się zaprzyjaźnić, a która stała się pierwowzorem postaci kilku powieści Chmielewskiej, podobnie jak członkowie rodziny pisarki. Również jedna z nauczycielek została później opisana w jednym z utworów - ''Zwyczajnym życiu''.
Rodzina Chmielewskiej pragnęła, żeby przyszła pisarka została lekarzem, jednak jeszcze w liceum młodą Chmielewską zaczęła interesować architektura i ją właśnie wybrała później jako kierunek studiów. W czasach szkoły średniej poznała swojego przyszłego męża, Stanisława. Wcześnie zaszła w ciążę i wzięła ślub. Studia zaczęła już jako mężatka, a wkrótce (w 1951 roku) urodziła pierwszego syna.
Ukończyła studia na Wydziale Architektury Politechniki Warszawskiej, uzyskując tytuł inżyniera architekta. Pracowała m.in. w Samodzielnej Pracowni Architektoniczno-Budowlanej Blok, w Energoprojekcie, w Biurze Projektów Stolica. Brała udział w budowie Domu Chłopa. Tematyka związana z pracą z tego okresu pojawiała się później w jej powieściach.
Debiutowała w 1958 na łamach czasopisma Kultura i Życie jako prozaik. Przez pewien czas pisała w Kulturze i Sztuce na tematy związane z architekturą wnętrz. W 1964 miał miejsce debiut książkowy - wydała sensacyjną powieść ''Klin''. Od 1970 zajmowała się wyłącznie twórczością literacką. Łączny nakład jej powieści w Polsce przekroczył 6 mln egzemplarzy, a w Rosji - gdzie uważana jest za najpoczytniejszą pisarkę zagraniczną - 8 mln. Jej książki tłumaczono na języki obce 107 razy.
3 maja 2004 została odznaczona Krzyżem Oficerskim Orderu Odrodzenia Polski.
Miała dwóch synów: Jerzego (ur. 1951) i Stanisława Roberta (ur. 1956, używa głównie imienia Robert).
Zmarła 7 października 2013 w Warszawie. Została pochowana 14 października 2013 na warszawskich Powązkach (kw. H rząd 5 grób 20).
# ''Lesio''
# ''Całe zdanie nieboszczyka''
# ''Krokodyl z kraju Karoliny''
# ''Wszystko czerwone''
# ''Klin''
# ''Dzikie białko''
# ''Wielki Diament cz. 1''
# ''Wielki Diament cz. 2''
# ''Wielki Diament cz. 3''
# ''Romans wszech czasów''
# ''Boczne drogi''
# ''Kocie worki''
# ''Pech''
# ''Najstarsza prawnuczka cz. 1''
# ''Najstarsza prawnuczka cz. 2''
# ''Przeklęta bariera cz. 1''
# ''Przeklęta bariera cz. 2''
# ''(Nie)Boszczyk mąż cz. 1''
# ''(Nie)Boszczyk mąż cz. 2''
# ''Złota mucha''
# ''Zapalniczka''
# ''Studnie przodków''
# ''Wszyscy jesteśmy podejrzani''
# ''Krowa niebiańska''
# ''Depozyt cz. 1''
# ''Depozyt cz. 2''
Powstało kilka ekranizacji filmowych, opartych na jej książkach. Były to:
* ''Lekarstwo na miłość'' - na podstawie ''Klina''
* ''Skradziona kolekcja'' - na podstawie ''Upiornego legatu''
* ''Kim jesteś kochanie'' - spektakl TV na podstawie ''Romansu wszechczasów''
* ''Randka z diabłem'' - teatr TV na podstawie książki ''Wszyscy jesteśmy podejrzani''
* ''Całe zdanie nieboszczyka'' - rosyjski (tytuł oryginału: ''Czto skazał pokojnik'') serial (powstała też nigdy nie wyemitowana okrojona wersja kinowa)
* ''Wszystko czerwone'' - rosyjska (tytuł oryginału: ''Wsio krasnoje'') ekranizacja najpopularniejszej książki Joanny Chmielewskiej
