Cecilia Beaux est la fille d’une institutrice américaine décédée douze jours après sa naissance et d’un industriel français qui retourne en France, les laissant elle et sa sœur être élevées par des proches. Sans fortune, C. Beaux est obligée de subvenir à ses besoins : elle travaille comme lithographe et peintre sur porcelaine, en même temps qu’elle suit les cours de la Pennsylvania Academy of the Fine Arts de Philadelphie. Ses premières œuvres montrent l’influence de James Abbott McNeill Whistler (1834-1903). Elle est inspirée par les techniques impressionnistes. Elle obtient une médaille pour The Last Days of Infancy ou Les Derniers jours d’enfance en 1884. En 1887, alors qu’elle réside encore aux États-Unis, elle envoie cette toile au Salon des Artistes français à Paris. L’accueil favorable fait à son tableau l’incite à se rendre en France en 1888 et 1889. À Paris, elle fréquente les académies Julian (elle se présente comme élève de MM. W. Sartain, Bouguereau et T. Robert-Fleury dans le livret du Salon des Artistes français de 1889), et Colarossi, tout en ne cachant pas son insatisfaction face à ces enseignements. De retour à Philadelphie, elle entreprend avec succès une carrière de portraitiste. Elle enseigne à la Pennsylvania Academy of the Fine Arts de 1895 à 1915, et fait de fréquents séjours en France. Au cours de l’été 1896, Lilla Cabot Perry (1848-1933) lui présente Claude Monet (1840-1926), cette rencontre n’aura aucune influence sur son art.

C. Beaux est proche de Ellen Day Hale (1855-1940), de Martha Walter (1875-1976) et du couple Richard Watson Gilder, poète et éditeur, et Helena De Kay Gilder, illustratrice. Leur fille, Dorothea Gilder devient le modèle favori de C. Beaux. C’est par l’entremise des Gilder que l’artiste obtient la commande du portrait de la Première dame des États-Unis, Edith Roosevelt (Mrs Theodore Roosevelt and Daughter Ethel, 1902). C. Beaux expose régulièrement aux États-Unis, à Londres et Paris. Son œuvre est souvent comparée à celle de John Singer Sargent (1856-1925). Elle reçoit une médaille d’or à l’occasion de l’exposition universelle de 1900. À la fin de la Première Guerre mondiale, elle propose de peindre les portraits des principales figures des forces alliées, notamment celui de Ferdinand Foch et Joseph Joffre. Elle réalise aussi, non sans difficultés, le portrait de Georges Clemenceau en 1920.

En 1921, elle offre à l’État français Sita et Sarita, femme au chat, tableau exécuté entre 1893 et 1894 dans le New Jersey et dont elle fait une réplique aujourd’hui conservée à Washington. Le modèle est sa cousine, Sarah Allibone Leavitt. Le chat fait référence à celui de l’Olympia (1863) d’Édouard Manet. Il s’agit de l’une des six toiles présentées par l’artiste au Salon de la Société nationale des beaux-arts, en 1896, et qui lui vaut d’être élue « Associée de la Société nationale des Beaux-Arts », ce dont elle tire une certaine fierté. Le tableau est montré en 1898 à l’International Society of Sculptors, Painters and Gravers, de Londres.

C. Beaux est la première femme à obtenir un poste permanent de professeure à la Pennsylvania Academy of the Fine Arts (classe de portrait) et la première Américaine à qui la galerie des Offices de Florence commande son autoportrait. Dans les années 1930, elle reçoit de nombreuses récompenses. En 1933, Eleonor Roosevelt lui remet la médaille d’or de la fraternité Chi Omega, décernée à l’Américaine qui a le plus contribué à la culture dans le monde. Deux rétrospectives lui sont consacrées en 1931 et 1935 à New York. Son autobiographie, Background with Figures, paraît en 1930.