Augusta Ada Byron war das einzige legitime Kind des romantischen Dichters George Gordon, Lord Byron. Ihre Mutter war Anne Isabella Milbanke, die das einmonatige Baby aus dem Haus ihres Vaters mitnahm. Ada Augusta Byron sah ihren Vater nie wieder; er starb, als sie acht war.
Die Mutter von Ada Lovelace, die selbst Mathematik studiert hatte, entschied, dass ihre Tochter die Exzentrizität des Vaters vermeiden würde, indem sie logischere Fächer wie Mathematik und Naturwissenschaften anstatt Literatur oder Lyrik studierte. Die junge Ada Lovelace zeigte schon in jungen Jahren ein Genie für Mathematik. Zu ihren Tutoren gehörten William Frend, William King und Mary Somerville. Sie lernte auch Musik, Zeichnen und Sprachen und sprach fließend Französisch.
Ada Lovelace lernte Charles Babbage 1833 kennen und interessierte sich für ein Modell, das er aus einem mechanischen Gerät zur Berechnung von Werten quadratischer Funktionen konstruiert hatte, die Differenz-Engine. Sie studierte seine Ideen auch auf einer anderen Maschine, der Analytical Engine, die Lochkarten verwendete, um Anweisungen und Daten zur Lösung mathematischer Probleme zu "lesen".
Babbage wurde auch Lovelaces Mentor und half Ada Lovelace, 1840 bei Augustus de Moyan an der University of London Mathematik zu studieren.
Babbage selbst schrieb nie über seine eigenen Erfindungen, aber 1842 beschrieb ein italienischer Ingenieur, Manabrea (späterer italienischer Premierminister), die Analytical Engine von Babbage in einem auf Französisch veröffentlichten Artikel.
Ada Lovelace wurde gebeten, diesen Artikel für eine britische Fachzeitschrift ins Englische zu übersetzen. Sie fügte der Übersetzung viele eigene Notizen hinzu, da sie mit Babbages Werk vertraut war. Ihre Ergänzungen zeigten, wie die Analytical Engine von Babbage funktionieren würde, und gaben eine Reihe von Anweisungen für die Verwendung der Engine zur Berechnung von Bernoulli-Zahlen. Sie veröffentlichte die Übersetzung und Notizen unter den Initialen "A.A.L." und verbarg ihre Identität, ebenso wie viele Frauen, die veröffentlichten, bevor Frauen als intellektuell gleichberechtigt anerkannt wurden.
Augusta Ada Byron heiratete 1835 einen William King (obwohl nicht derselbe William King, der ihr Tutor gewesen war). 1838 wurde ihr Ehemann der erste Earl of Lovelace, und Ada wurde Gräfin von Lovelace. Sie hatten drei Kinder.
Ada Lovelace entwickelte unwissentlich eine Abhängigkeit von verschriebenen Medikamenten wie Laudanum, Opium und Morphium und zeigte klassische Stimmungsschwankungen und Entzugserscheinungen. Sie begann zu spielen und verlor den größten Teil ihres Vermögens. Sie wurde einer Affäre mit einem Glücksspielgenossen verdächtigt.
Im Jahr 1852 starb Ada Lovelace an Gebärmutterkrebs. Sie wurde neben ihrem berühmten Vater begraben.
Mehr als einhundert Jahre nach ihrem Tod, im Jahr 1953, wurden Ada Lovelaces Notizen zu Babbages Analytical Engine erneut veröffentlicht, nachdem sie vergessen worden waren. Der Motor wurde jetzt als Modell für einen Computer erkannt, und Ada Lovelaces Notizen als Beschreibung eines Computers und einer Software.
1980 entschied sich das US-Verteidigungsministerium für den Namen "Ada" für eine neue standardisierte Computersprache, die zu Ehren von Ada Lovelace benannt wurde.