黃慕蘭於1907年7月18日，農曆六月初九出生在瀏陽一個書香門第，原名黃彰定。她父親黃穎初是瀏陽著名文人，與譚嗣同、唐才常一同在名儒歐陽中鵠門下受教，辛亥革命後曾任嶽麓書院教習，是黃興、蔡鍔等人的老師。他與譚嗣同一起辦過收養棄嬰的育嬰堂，與許多民國政壇人物有交往。黃穎初思想開明，對長女黃慕蘭十分寵愛，未讓她受纏足之苦。黃慕蘭有極強的記憶力和語言天賦，十分善於學習各地的方言。
1919年，12歲的黃慕蘭被父母送進長沙周南女校讀書。該校校長朱劍凡與夫人毀家興學，創辦周南女子學校，立志教育出一代獨立女國民，培養了一批在中國近代史上享有盛名的女學生，如向警予、蔡暢、楊開慧、丁玲等，黃慕蘭深受校長夫婦「女子當自尊、自重、自立、自育」思想的薰陶，參與五四愛國運動。在周南所受啟蒙教育對她走上革命道路產生了重大影響。她晚年接受記者採訪時回憶說：「我們這一代的女性能夠參與國民革命，跟女子教育的興起有著非常大的關係。」她後來不得不退學在家自學，但心中一直不忘校長的教誨，在讀《列女傳》、《木蘭辭》時十分欽佩智勇雙全的花木蘭，參加革命後毅然改名為慕蘭。
1923年至1925年，黃慕蘭在老家曾有過一段從小訂婚的包辦婚姻。丈夫是一位抽鴉片、打丫環的少爺。她實在忍不下去，便偷偷給父親寫紙條，要求以母病為由回娘家，從此再未回過婆家。父母讓她在家中自修，為上大學做準備，她讀了大量與革命有關的文章、傳單、簡報。多年後，黃慕蘭曾對人說：「如果不是我的父母如此開通慈愛，或者我當時結婚遇上一個好男人，也許我的故事就此結束了。」
1926年，黃慕蘭在北伐前夕毅然到漢口投奔宋慶齡、何香凝領導下的婦女運動，擔任漢口婦女部部長，並於同年加入中國共產黨。這位19歲的婦女運動領袖，長得漂亮，有文化，交際廣，有魄力，活動能力強，在武漢三鎮很出名，成為很多優秀男士追求的對象。郭沫若將她化身為長篇小說《騎士》中的女主人公金佩秋，茅盾寫長篇小說《蝕》也借鑑了她的經歷。1927年三八節，黃慕蘭與由共產黨員主辦的漢口《民國日報》主編、中共中央軍委機要處主任秘書和警衛團政治指導員宛希儼結婚。宛希儼是大學畢業的大家族子弟，也是逃離包辦婚姻參加革命的。
他們沒有婚禮儀式，結婚的消息由董必武在一次會議上宣布，並在報上刊登簡單的結婚啟事，表示公開否定過去的包辦婚姻。這一年風雲多變，國共分裂之後，宛希儼、黃慕蘭夫婦轉入地下工作，用米湯在《聖經》中密寫文件，黃慕蘭開始了不同凡響的「潛伏」人生。1928年，兒子出生才三天，丈夫宛希儼就被調往贛西南領導土地革命和武裝鬥爭，4個月之後在戰場犧牲。7個月後，黃慕蘭才無意間獲悉丈夫犧牲的消息。同年黃慕蘭秘密前往上海任中共中央委員會機要秘書，成為中央特科成員。在上海黃慕蘭遇見了在武漢時就認識的賀昌，他在中共六大與關向應同時當選為中央委員。
在賀昌勸慰、幫助下，黃慕蘭漸漸開朗起來，彼此產生感情，在徵求周恩來意見、得到組織同意後，黃慕蘭開始了她的第三段婚姻。1929年，與賀昌結合不久，黃慕蘭深入工廠領導工人罷工爭取權益時被捕，囚於龍華監獄100天。身懷有孕的黃慕蘭拒不承認共產黨身份，卻在彭湃的領導下成立了一個黨支部組織獄中鬥爭。出獄後，她一次次出色地完成了特殊使命，如喬裝成貴夫人，乘豪華遊輪從香港運送共產國際撥來的巨額經費到上海交給黨中央。
1931年，賀昌前往江西蘇區工作，後壯烈犧牲。黃慕蘭曾為賀昌生下一個孩子，孩子出生不久就被賀昌送到戰友處撫養，解放後才母子相認。當時，黃慕蘭肩上也擔負著繁重的革命任務，因黨在上海的地下工作受到很大破壞，許多地下黨員被捕，組織上看中了黃慕蘭的活動能力和社會關係，委命她擔任中國人民革命互濟總會的營救部長，與潘漢年單線聯繫，營救被捕同志。
黃慕蘭在擔任營救部長期間，結識了上海著名年輕律師陳志皋。1930年6月的一個下午，她和陳志皋在咖啡館閒談，偶遇陳在法租界巡捕房當翻譯的同學曹炳生，曹談起了巡捕房最近抓到的一個共產黨頭頭，說此人是湖北人，60歲左右，酒糟鼻子，鑲一口金牙，9個指頭，是懸賞10萬元才抓到的，這個人架子蠻大，但一點兒沒骨氣，還沒用刑就什麼都交代了。一個符合描述特點的人物闖進了黃慕蘭的腦海裡：這個人很可能是中央政治局兼中央常務委員會主席向忠發！黃慕蘭十分焦急，卻一直忍到曹炳生離開，之後她以頭痛為由請陳志皋送她回家。
短短兩小時之內，這個消息便由黃慕蘭傳給了潘漢年，再由潘漢年傳給康生、周恩來。甩恩來迅速組織中央李富春、蔡暢等人轉移。當晚，向忠髮帶著巡捕房的人直接用鑰匙開門闖進了周恩來轉移前的住所。向忠發是黨的主要領導人，又是特科領導成員，掌握的情報非比尋常，若不是黃慕蘭的這次機智敏銳傳遞情報，黨中共在上海的中樞機構完全有可能在瞬間垮掉。
1931年4月中旬，時任中共中央政治局委員並在上海領導全國工聯工作的關向應在閘北他的寓所被捕。關向應當時化名李世珍，被捕時身份沒有暴露。關向應被捕，當時負責中共地下黨保衛工作的顧順章正在漢口，因而並不知曉。4月21日，顧順章在漢口被捕，隨即叛變。他不僅供出了中共地下黨中央幾乎所有的機關以及領導人的地址，還將關押在國民黨監獄中身份尚未暴露的領導人一一指認了出來。情況非常危急，周恩來找到黃慕蘭，要她不惜一切代價儘快救出關向應。
黃慕蘭分析再三，向法租界的大律師、她的密友陳志皋提出，要求會會陳志皋的父親陳其壽。陳其壽在法租界會審公廨當了18年的刑庭庭長，在上海司法界一言九鼎。當他在自己家中見到黃慕蘭後，平時沉默寡言的陳其壽對她非常滿意，主動提出要收她為乾女兒，並要她擔任自己幾個女兒的家庭教師。一來一往，黃慕蘭和陳其壽談得非常投緣，於是陳志皋便向父親提出了請求，說是黃小姐有一個遠房親戚叫李世珍，被當局誤抓了進去，現關在龍華監獄，是否能通融一下。陳其壽一聽，二話不說，一口答應了下來。
幾天後陳其壽讓陳志皋出面請龍華監獄的典獄長到陳家吃飯，同時將黃慕蘭也叫了來。就在飯桌上，陳其壽將這件事講了，並在介紹黃慕蘭的身份時，稱她為自己的乾女兒。典獄長將放人的事一口答應了下來時間一天天過去了，但關向應卻並未放出。周恩來心急如焚，再次要黃慕蘭加緊辦理。黃慕蘭又一次來到陳其壽家中。陳其壽聽說乾女兒的事遲遲拖著未辦，非常生氣，於是又把典獄長找了來，典獄長說是姓李的書記宮不肯放人。陳其壽非常了解此人愛好，讓陳志皋拿了自己的信，又封了2斤上好的煙土去找李書記宮。
於是在龍華監獄關了近半年的關向應終於被放了出來。黃慕蘭和陳志皋親自駕車到龍華將關向應接了出來，並在東方旅館包了房間替他接風洗塵。之後關向應便去了蘇區，在紅軍中擔任了重要領導崗位。救出關向應之後，陳志皋對黃慕蘭展開了熱烈的追求。1933年，黃慕蘭聽取組織的意見，帶著「繼續支持營救被捕同志工作、婚後互不幹涉個人行動、允許她將來與前夫遺孤相認」的三項約定，與陳志皋結婚，奉命脫黨以民主人士的面目活動，先後糾銀行家、慈善家、國民黨特派員等特殊身份為中共工作，參與了「全國冤獄賠償運動」、營救「七君子」出獄、打通中共海路交通線、香港文化名大撤退等重大行動，其間曾再次遭受國民黨的牢獄之災。
20世紀50年代，因受潘漢年案牽涉，黃慕蘭兩度入秦城監獄，被監禁17年。20世紀80年代，她在鄧穎超的幫助下平反，任上海市政府參事。