Augusta Ada Byron was het enige legitieme kind van de romantische dichter George Gordon, Lord Byron. Haar moeder was Anne Isabella Milbanke, die de baby van een maand oud weghaalde van het huis van haar vader. Ada Augusta Byron heeft haar vader nooit meer gezien; hij stierf toen ze acht was.
De moeder van Ada Lovelace, die zelf wiskunde had gestudeerd, besloot dat haar dochter de excentriciteiten van de vader zou worden bespaard door meer logische onderwerpen zoals wiskunde en wetenschappen te bestuderen in plaats van literatuur of poëzie. De jonge Ada Lovelace toonde al op jonge leeftijd een genie voor wiskunde. Haar docenten waren William Frend, William King en Mary Somerville. Ze leerde ook muziek, tekenen en talen en sprak vloeiend Frans.
Ada Lovelace ontmoette Charles Babbage in 1833 en raakte geïnteresseerd in een model dat hij had gebouwd van een mechanisch apparaat om waarden van kwadratische functies te berekenen, de Difference Engine. Ze bestudeerde ook zijn ideeën op een andere machine, de Analytical Engine, die ponskaarten zou gebruiken om instructies en gegevens te "lezen" voor het oplossen van wiskundige problemen..
Babbage werd ook de mentor van Lovelace en hielp Ada Lovelace bij het starten van wiskundige studies met Augustus de Moyan in 1840 aan de Universiteit van Londen.
Babbage schreef zelf nooit over zijn eigen uitvindingen, maar in 1842 beschreef een Italiaanse ingenieur Manabrea (later de Italiaanse premier) Babbage's Analytical Engine in een artikel in het Frans.
Ada Lovelace werd gevraagd dit artikel in het Engels te vertalen voor een Brits wetenschappelijk tijdschrift. Ze heeft veel eigen notities aan de vertaling toegevoegd, omdat ze bekend was met het werk van Babbage. Haar toevoegingen toonden aan hoe Babbage's Analytical Engine zou werken en gaven een set instructies voor het gebruik van de Engine voor het berekenen van Bernoulli-getallen. Ze publiceerde de vertaling en notities onder de initialen "A.A.L", waardoor haar identiteit werd verborgen, net zoals veel vrouwen die eerder publiceerden dan vrouwen meer werden geaccepteerd als intellectuele gelijken.
Augusta Ada Byron huwde een William King (hoewel niet dezelfde William King die haar tutor was geweest) in 1835. In 1838 werd haar echtgenoot de eerste graaf van Lovelace en Ada werd gravin van Lovelace. Ze hadden drie kinderen.
Ada Lovelace ontwikkelde onbewust een verslaving aan voorgeschreven medicijnen, waaronder laudanum, opium en morfine, en vertoonde klassieke stemmingswisselingen en ontwenningsverschijnselen. Ze begon met gokken en verloor het grootste deel van haar fortuin. Ze werd verdacht van een affaire met een gokgenoot.
In 1852 stierf Ada Lovelace aan baarmoederkanker. Ze werd begraven naast haar beroemde vader.
Meer dan honderd jaar na haar dood, in 1953, werden de aantekeningen van Ada Lovelace over Babbage's Analytical Engine opnieuw gepubliceerd nadat ze was vergeten. De motor werd nu herkend als een model voor een computer en de aantekeningen van Ada Lovelace als een beschrijving van een computer en software.
In 1980 heeft het Amerikaanse ministerie van Defensie de naam 'Ada' gekozen voor een nieuwe gestandaardiseerde computertaal, genoemd ter ere van Ada Lovelace.