Barbara Palvin lahir pada tanggal 8 Oktober 1993 di Budapest, Hungaria. Keluarganya terdiri dari ayahnya, István Palvin; ibunya, Ágnes Palvin; dan adik perempuannya, Anita. Palvin sering pergi ke pedesaan untuk mengunjungi nenek dan buyutnya.
Karirnya dimulai ketika ia berusia 13 tahun dan ditemukan oleh seorang pencari bakat model di jalanan Budapest saat ia sedang berjalan dengan ibunya. Ia melakukan pemotretan editorial pertamanya pada tahun 2006 untuk majalah Spur, dan kemudian pindah ke Asia di mana ia mendapatkan banyak pekerjaan. Sejak itu, Palvin telah tampil di sampul majalah L'Officiel (Prancis, Italia, Rusia, Turki, Thailand, Singapura), Vogue (Portugal), Marie Claire (Italia, Hungaria), Glamour (Hungaria, Spanyol), Elle (Britania Raya, Italia, Korea, Brasil, Argentina, Swedia, Serbia, Hungaria, Spanyol, Belgia), Allure, GQ (Portugal), Harper's Bazaar (Australia, Yunani, Singapura, Korea Selatan), Jealouse Magazine, dan Numéro (Belanda, Rusia). Palvin juga telah muncul dalam kampanye iklan untuk Armani Exchange, H&M, Victoria's Secret, dan Pull & Bear. Pada Februari 2012, ia menjadi duta L'Oréal Paris. Pada tahun 2016, Palvin terungkap sebagai bagian dari Sports Illustrated Swimsuit Rookie Class. Ia juga menjadi wajah baru untuk parfum khas Armani "Acqua di Gioia". Palvin adalah wajah dari Amazon Fashion dan muncul dalam kampanye iklan Express dan Chaos.
Debutnya di panggung catwalk adalah untuk Prada selama Milan Fashion Week pada bulan Februari 2010. Palvin juga telah berjalan di catwalk untuk Louis Vuitton, Miu Miu, Nina Ricci, Emanuel Ungaro, Christopher Kane, Julien MacDonald, Jeremy Scott, Giles Deacon, Vivienne Westwood, dan membuka pertunjukan pre-Fall 2011 Chanel. Pada tahun 2012, ia berjalan di Victoria's Secret Fashion Show. Palvin mulai mencoba peruntungannya di dunia akting setelah ia muncul dalam film Hercules tahun 2014 sebagai ratu mitologi Antimache. Pada tahun 2016, ia menduduki peringkat ke-4 dalam daftar Maxim Hot 100. Pada daftar model paling populer di Tumblr tahun 2017, Palvin menduduki peringkat kedua. Palvin kembali tampil dalam Victoria's Secret Fashion Show pada tahun 2018. Pada tahun berikutnya, ia menjadi Victoria's Secret Angel pertama dari Hungaria. Lengkungan tubuh Palvin dan ukuran catwalk yang tidak standar dianggap oleh media sebagai arah merek menuju "body positivity".
Barbara Palvin sering dibandingkan dengan model Rusia Natalia Vodianova; editor British Vogue, Miranda Almond, mengatakan, "Kami memilih Barbara karena ia benar-benar cantik, seperti perpaduan antara Brooke Shields muda dan Natalia Vodianova". Palvin menyebut Vodianova dan Kate Moss sebagai model favoritnya.
Secara pribadi, sejak tahun 2018, Palvin menjalin hubungan dengan aktor Amerika Dylan Sprouse. Mereka tinggal di Brooklyn hingga tahun 2021, ketika mereka pindah ke Los Angeles. Pada bulan Juni 2023, mereka mengumumkan bahwa mereka telah bertunangan sejak September 2022. Pada tanggal 15 Juli 2023, pasangan tersebut menikah di kota Albertirsa, Hungaria, di gereja yang sama tempat orangtua Palvin juga menikah. Palvin mengambil nama belakang suaminya setelah menikah.