Trong sách Việt sử lược và Đại Việt sử ký toàn thư đều không ghi chép rõ ràng về xuất thân của bà. Chỉ biết bà họ Lê, là người hương Thổ Lỗi, còn Ỷ Lan là tên do Lý Thánh Tông ban cho sau khi vào cung.
Có truyền thuyết kể về bà, Ỷ Lan sinh ngày 7 tháng 3 năm Giáp Thân (7 tháng 4 năm 1044) tại hương Thổ Lỗi. Đời Nguyễn thuộc phủ Thuận Thành, tỉnh Bắc Ninh, nay là làng Phú Thị thuộc xã Phú Thị, huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội. Cha là Lê Công Thiết, làm chức quan nhỏ ở kinh thành Thăng Long. Mẹ bà hiệu là Tĩnh Nương, có nguồn khác tên là Vũ Thị Tĩnh, làm ruộng tại hương Thổ Lỗi.
Vào 1064, khi vua Lý Thánh Tông đến chùa Thổ Lỗi cầu tự và mở hội tuyển cung nữ, Ngài vén rèm nhìn thấy từ xa có người con gái tựa vào cây lan và cất tiếng hát trong trẻo. Sau đó Ngài đã ra lệnh cho người con gái ấy tiến cung.
Khi vào cung bà được phong làm Ỷ Lan Phu nhân. Vua Thánh Tông lúc đó sang tuổi 40 mà vẫn chưa có con trai nối dõi. Ỷ Lan Phu nhân hạ sinh Hoàng tử Lý Càn Đức vào tháng Giêng, năm 1066. Ngày hôm sau, Vua Thánh Tông lập ngay làm Hoàng thái tử và phong Ỷ Lan Phu nhân làm Thần phi. Sau đó, bà lại sinh ra Minh Nhân vương vào 1068. Thánh Tông phong Thần phi làm Nguyên phi đứng đầu các phi tần trong cung và đổi hương Thổ Lỗi làm hương Siêu Loại. Lúc đó địa vị của Ỷ Lan chỉ sau Thượng Dương Hoàng hậu.
Năm 1069, vua Lý Thánh Tông thân chinh đi đánh giặc ngoại xâm. Ỷ Lan Nguyên phi rất đảm đang, chăm lo quốc sự khiến cho thần dân thán phục, cõi nước được yên vui. Lâu ngày đánh không thắng Lý Thánh Tông từ biên cương trở về và nghe được mọi người ca ngợi nguyên phi Ỷ Lan. Vua đã tự trách mình và lại trở ra đánh giặc, lần chinh chiến này vua giành thắng lợi. Ỷ Lan rất nhân từ dạy con ngoan, đào tạo con trở thành một nhà vua anh minh sau này; lại lo cho dân giàu nước mạnh, yêu thương nhân dân nên được mọi người kính phục.
Năm 1072 vua Lý Thánh Tông mất, vua Lý Nhân Tông lên ngôi khi mới 7 tuổi. Ỷ Lan Nguyên phi được tôn làm Linh Nhân Hoàng Thái Hậu. Bà vừa giúp coi triều chính vừa dạy dỗ con. Bà cùng Lý Thường Kiệt, thái sư Lý Đạo Thành giúp vua lo việc nước.
Sống trong lầu son gác tía nhưng không lúc nào bà quên những người nghèo khó. Bà vẫn luôn quan tâm đến đời sống của nông dân lao động. Cũng như vua Lý Nhân Tông, bà thường phát thóc lúa cho người nghèo. Bà sùng đạo Phật, ưu làm việc thiện nên đã cho lập rất nhiều đình chùa. Phía sau tấm bia Sùng Thiện Diên Linh có ghi lại việc bà cúng vào chùa Đọi Sơn 72 mẫu ruộng vào năm 1121.
Thái hậu dựng chùa thờ Phật trước sau hơn một trăm nơi. Tục truyền rằng Thái hậu hối lại việc Thương Dương Thái hậu và các thị nữ không tội mà bị giết chết mới làm nhiều chùa thờ Phật để sám hối và rửa oan. Ngay tấm bia thời Lý ở chùa Đọi với đề bia Sùng Thiện Diên Linh (cầu việc thiện, mong cho tuổi thọ kéo dài) cũng phần nào nói lên ý nghĩa ấy.
Ngày 25 tháng 7 năm 1117 bà mất, nhục thân được hỏa táng, dâng thụy là Phù Thánh Linh Nhân Hoàng thái hậu, mai táng ở Thọ Lăng phủ Thiên Đức. Hiện nay có 2 miếu thờ bà ở xã Cẩm Đới và Cẩm Cẩu thuộc huyện Gia Lộc, tỉnh Hải Dương.
