Margarita Carmen Cansino néven egy spanyol bolerótáncos és egy ír-angol revütáncosnő lányaként látta meg a napvilágot. Apjával a családi lokálban, majd a mexikói Tijuanában lépett fel, a legenda szerint akkor nevezték el róla a tequilából készített Margarita koktélt. A csinos lány tizenkilenc évesen férjhez ment az olajmilliomosból lett menedzser Edward Judsonhoz. Férje sztárt faragott belőle: beszédórákra járatta, fogyókúrára fogta, a latinos szépség hollófekete haja gesztenyebarnára változott, végül teljesen kiszőkült, keresztnevét lerövidítették, vezetéknévként pedig megkapta az anyai Haworth-t, egy elegáns y betoldásával. 

Új alakjában a Dante pokla című filmben tűnt fel először táncosnőként, a Charlie Chan Egyiptomban című alkotásban néhány mondata is volt, az 1939-es Csak az angyaloknak van szárnyuk című romantikus film már az elsöprő (kassza)sikert is meghozta számára. Két évvel később Az eper-szőke címszerepében és első színes filmjében, a Vér és homok című című drámában megszületett a démoni szőke vamp, a „szerelemistennő”. Fred Astaire partnereként csillogtatta meg tánctudását a Táncoslábú rekruták és Az ismeretlen imádó című filmekben (Astaire legendás partnerénél, Ginger Rogersnél is jobban kedvelte őt). Gene Kellyvel a Címlaplány című musicalfilmet készítette, így azon néhány színésznő egyike, aki mindkét hírességgel táncolt a filmvásznon. Ezek a revüfilmek egyszerre tették sztárrá és egy nemzedék bálványává, kellemes hangja ellenére filmjeiben mégis mások énekeltek helyette.

Bár a magánéletben félénk, csendes, szerény jelenség volt, a filmvásznon robbanékony, érzéki nőket alakított. A második világháború idején sok amerikai katona az ő fotóit nézegetve ábrándozott a frontvonalban. Képe 1940 júliusában került fel először a Life magazin címlapjára és 1946-ban a Bikini-szigeteken felrobbantott kísérleti atombombára is. Érdekes módon szexszimbólum státusát a közepesnek is csak jóindulattal nevezhető Gilda betonozta be 1946-ban. A Charles Vidor rendezte film legalább akkora botrányt kavart, mint amilyen sikeres volt: a cenzúra nemcsak egy mai szemmel igen szolid vetkőzős jelenetet kifogásolt, de azt is, ahogy a „végzet asszonya” egy másik jelenetben csábító lassúsággal húzta le hosszú, fekete kesztyűjét. 

Karrierje a Trinidadi ügy, a bibliai témájú Salome és a Miss Sadie Thompson című filmek után, az ötvenes évek végén indult hanyatlásnak, igaz, akkor már jelentkeztek rajta a csak később diagnosztizált Alzheimer-kór első tünetei. Helyét új sztárok foglalták el a nézők szívében és az újságból kivágott képeken, a Fickós Joey című utolsó musicaljében 1957-ben már együtt szerepelt utódjával, Kim Novakkal és Frank Sinatrával. Prózai szerepkörben is aratott szép sikereket, emlékezetes volt a Külön asztalok című társasági drámában, amelyet öt kategóriában jelöltek Oscar-díjra. A hatvanas években A cirkusz világa című filmben John Wayne és Claudia Cardinale partnereként tűnt fel, majd Európában, főként Olaszországban forgatott. Utolsó munkája, az Isten haragja című amerikai western 1972-ben készült.

Magánélete nem alakult szerencsésen, egyik férjével sem töltött együtt néhány évnél többet. Öt házastársa közül négy szakmabeli volt, a második, Orson Welles 1947-ben rendezte is feleségét A sanghaji asszony című filmjében. Tőle született első lányát a színésznő a terhessége alatt olvasott Walter Scott-regény, az Ivanhoe női főhőse után nevezte el Rebeccának. Férjei közül az egyetlen civil a harmadik, a multimilliomos muszlim playboy, Ali Khan herceg volt, így Hayworth-t illeti az első filmsztárból lett hercegné cím, megelőzve Grace Kellyt. Ali Khan kedvéért a negyvenes évek végén – pályafutását időlegesen feladva – Európába települt, ott született második lánya, Yasmin Aga Khan.

Betegsége, a szakmai és a magánéleti kudarcok depresszióssá tették, az alkoholban keresett menedéket és a sajtó botrányaitól volt hangos. Az egykor gyönyörű filmcsillag utolsó éveit magányosan töltötte, az Alzheimer-kór hatvannyolc éves korában, 1987. május 14-én végzett vele. Haláláról egykori pályatársa, a később ugyanebben a betegségben elhunyt Ronald Reagan amerikai elnök is megemlékezett. A filmcsillag emlékére évente jótékonysági gálát rendeznek, melynek bevételét az Alzheimer-kór kutatására fordítják.