Urodziła się 25 kwietnia 1925 r. w Sokołowie Podlaskim. Lata wojenne spędziła w Warszawie, należała do Stowarzyszenia Szarych Szeregów, brała udział w Powstaniu Warszawskim jako sanitariuszka.

Paleobiolog, emerytowana profesor w Instytucie Paleobiologii PAN w Warszawie.

Studiowała na Tajnych Kompletach Wydziału Matematyczno-Przyrodniczego UW oraz po wojnie - na Wydziale Matematyczno-Przyrodniczym UW, gdzie uzyskała tytuł magistra. Doktoryzowała się na UW w 1953 r., stopień docenta nauk biologicznych (habilitacje były wówczas zniesione) uzyskała w 1957 r., a tytuł profesorski w 1972 r.

W początkach swojej drogi naukowej zajmowała się badaniem trylobitów dewońskich Gór Świętokrzyskich, trylobitów ordowickich Gór Świętokrzyskich, Skandynawii i Czech oraz kambryjskich Spitsbergenu, następnie badaniami ordowickich i sylurskich aparatów szczękowych wieloszczetów, by wreszcie zainteresować się ssakami mezozoicznymi świata, ze szczególnym uwzględnieniem faun z okresu kredowego Azji.

W latach 1963-1971 była organizatorką ośmiu oraz kierowniczką w terenie sześciu Polsko-Mongolskich Wypraw Paleontologicznych na pustynię Gobi. Dzięki osiągniętym w ich toku rezultatom, wyprawy te zostały uznane przez opinię światową za jedne z największych wypraw paleontologicznych na świecie. Zaprojektowała i przygotowała liczne wystawy w kraju i na świecie prezentujące zbiory i rekonstrukcje okazów zebranych podczas mongolskich ekspedycji (m.in.: "Dinozaury z Pustyni Gobi", PKiN w Warszawie - 1968-1975; "Kotlina Dinozaurów", Park Kultury w Chorzowie - od 1975 r. do dziś; "Ewolucja na Lądach", Muzeum Ewolucji Instytutu Paleobiologii PAN w PKiN - od 1985 r. do dziś; "Ewolucja świata żywego" , Muzeum Paleontologiczne w Oslo -  od 1987 r. do dziś).

Jej działalność dydaktyczna obejmuje prowadzenie wykładów i ćwiczeń z paleontologii na: Uniwersytecie Warszawskim (1948-1954), Uniwersytecie Harvarda (1973-74),  Uniwersytetach Paris VI i Paris VII (1982-1984) i na Uniwersytecie w Oslo (1987-1995). Ponadto była zapraszana na pojedyncze wykłady lub serie wykładów przez liczne uniwersytety brytyjskie, włoskie, niemieckie, szwedzkie, duńskie, norweskie, radzieckie, amerykańskie, kanadyjskie i japońskie. Była także promotorką prac magisterskich i doktorskich a także opiekunem prac habilitacyjnych na UW, w Instytucie Paleobiologii PAN oraz na Uniwersytecie w Oslo.

Jest honorowym członkiem Polskiego Towarzystwa Przyrodników im. Kopernika, "Linnean Society" w Wielkiej Brytanii, "Society of Vertebrate Paleontology " w Stanach Zjednoczonych, członkiem rzeczywistym PAN (w latach 1972-1984 - członek Prezydium Akademii), członkiem zagranicznym Norweskiej Akademii Nauk, członkiem Norweskiego Towarzystwa Paleontologicznego (w latach 1988-1994 - prezes Towarzystwa), w latach 1980-1989 była wiceprezesem International Union of Geological Sciences, w latach 1980-1992 - wiceprezesem International Paleontological Association, w latach 1982-1984 - honorowym wiceprezesem Francuskiego Towarzystwa Geologicznego.

Nagrody, wyróżnienia i medale: Krzyż Oficerski Orderu Odrodzenia Polski (1966), Krzyż Komandorski Orderu Odrodzenia Polski (1973), Warszawski Krzyż Powstańczy (1985), doktorat honoris causa Uniwersytetu Camerino we Włoszech (1989), Nagroda im. Alfreda Jurzykowskiego Fundacji Kościuszkowskiej w Nowym Jorku (1994), Walter Granger Memorial Award - nagroda przyznawana za działalność eksploratorską w Stanach Zjednoczonych (1988), Romer-Simpson Medal - najwyższe odznaczenie przyznawane przez Towarzystwo Paleontologii Kręgowców w Stanach Zjednoczonych (1995), Krzyż i tytuł Weterana Walk o Wolność i Niepodległość (1999), Krzyż Komandorski z Gwiazdą Orderu Odrodzenia Polski (2002).

Nagrodzona książka "Mammals from the Age of Dinosaurus" (Ssaki ery dinozaurów), Columbia University Press 2004, której prof. Kielan-Jaworowska jest pomysłodawczynią oraz pierwszym i wiodącym autorem, stanowi podsumowanie całości dostępnej wiedzy o mezozoicznej ewolucji ssaków (obejmującej pierwsze 160 mln lat ich historii). Historia ssaków w erze mezozoicznej jest bardzo ważna z punktu widzenia wyjaśnienia ich pochodzenia i wyodrębnienia się cech, które zadecydowały o dalszych losach ssaków, w tym o powstaniu człowieka oraz pochodzenia grup istniejących obecnie i stosunków między nimi. Stanowiąc fundamentalne kompendium wiedzy o ssakach mezozoicznych, książka zawiera również wiele nowych idei, jak m.in.: oryginalne opracowanie problemu wyodrębnienia się ssaków z gadów ssakokształtnych i wykazanie zmian anatomicznych, jakie temu towarzyszyły, związanych w znacznej mierze ze stopniowym przechodzeniem od zmiennocieplności (charakterystycznej dla gadów ssakokształtnych) do stałocieplności (będącej cechą ssaków). Dzieło uznane przez światowe autorytety w paleontologii za "lekturę obowiązkową" i "kamień milowy" w badaniach ssaków mezozoicznych.