Encouragée par son père, Nadia Boulanger étudie l’orgue et la composition dès l’âge de neuf ans. Elle côtoie très jeune les grands compositeurs de l’époque, le salon familial étant le lieu privilégié de soirées musicales où se croise l’élite intellectuelle parisienne. Exceptionnellement douée, elle entre à l’âge de neuf ans en classe de solfège au Conservatoire de Paris. Elle y effectue par la suite un parcours extrêmement brillant, tout d’abord dans la classe d’Auguste Chapuis pour l’harmonie, puis de Paul Vidal pour l’accompagnement, d’Alexandre Guilmant pour l’orgue, ainsi que de Gabriel Fauré pour le contrepoint et la fugue. C’est comme auditrice qu’elle assiste en 1901 (ou 1902) aux cours de composition de Fauré avant de poursuivre ses études dans la classe de Charles-Marie Widor. À seize ans, elle tient d’ailleurs souvent le poste d’organiste suppléante à l’Église de la Madeleine où Fauré est titulaire. Elle restera toujours proche de son maître.

Deux ans après avoir obtenu ses premiers prix d’orgue, d’accompagnement au piano, de fugue et de composition, Nadia Boulanger devient elle-même une compositrice respectée en étant récompensée d’un deuxième Grand Prix de Rome en 1908 pour sa cantate La Sirène, après deux tentatives infructueuses. Les années suivantes constituent une période créative féconde avec, entre autres, la cantate Dnégouchka pour trois soli et orchestre (1909-1910), l’opéra La Ville morte sur un livret de Gabriele D’Annunzio conçu en collaboration avec Raoul Pugno (1910-1912), les Trois pièces pour violoncelle et piano (1911-1913) – la première pièce en mi bémol mineur étant la transcription d’ »Improvisation » et la seconde en la mineur de « Petit Canon » écrites à l’origine pour orgue (ou harmonium) auxquelles s’ajoute une « Danse espagnole » en ut dièse mineur ; citons aussi la Fantaisie variée pour piano et orchestre (1912) et les Petites Pièces pour piano (1914-1916), un cycle inachevé de courtes pièces d’une simplicité attachante qui alternent les tonalités de ré mineur – si mineur – ré mineur et ne comportent aucune indication de phrasés ou de nuances. Connue pour sa mémoire époustouflante, elle poursuit parallèlement une brillante carrière d’interprète, aussi bien à l’orgue qu’au piano, mais aussi de cheffe d’orchestre.

Lili Boulanger témoigne également de dons musicaux précoces. Elle ne reçoit pas de formation musicale académique avant 1909, hormis quelques cours de violon, violoncelle, harpe et piano. Elle chante sans cesse : Fauré, ami de la famille, vient volontiers l’accompagner parce qu’elle est capable, dès l’âge de six ans, de déchiffrer ses mélodies. Elle s’adonne à la composition et cette activité prend progressivement une place prépondérante, au point de devenir une vocation professionnelle. Elle reçoit dès lors l’enseignement à domicile de Georges Caussade, professeur de contrepoint et de fugue. Malgré une santé extrêmement fragile, elle entre en 1909, à l’âge de seize ans, au Conservatoire de Paris dans la classe de composition de Paul Vidal.

Malheureusement, les œuvres instrumentales et vocales de cette période n’ont pas été retrouvées, mis à part une délicate Pièce pour violon (ou flûte) et piano (1910), dans laquelle on peut déjà entrevoir sa fascination pour une harmonie ambiguë. Un an plus tard, son langage s’affirme dans le Nocturne pour violon (ou flûte) et piano (1911), pièce mélancolique empreinte de l’influence debussyste. Dédiée à son amie Marie-Danielle Parenteau, l’œuvre est créée par Émile Mendels au violon et la compositrice au piano le 17 décembre 1915 au Petit Palais des Champs-Élysées dans le cadre de concerts destinés aux Poilus. En 1912, elle présente Pour les funérailles d’un soldat pour chœur à 4 voix mixtes, baryton solo et piano (ou orchestre) sur un poème d’Alfred de Musset dans le cadre de l’examen de la classe de composition : l’œuvre se voit couronnée du Prix Lepaulle de l’Institut de France.

Un an plus tard, Lili Boulanger marque durablement l’histoire en devenant la première femme à remporter le premier Grand Prix de Rome avec sa cantate Faust et Hélène pour 3 soli et orchestre sur un poème d’Eugène Adenis. Le 24 novembre 1913, elle est reçue à l’Élysée par le président de la République Raymond Poincaré. Cette notoriété lui permet de signer un contrat d’exclusivité avec les Éditions Ricordi.
En février 1914, elle rejoint avec sa mère les lauréats du prix de Rome dans le cadre de l’Académie de France à Rome avec lesquels elle se réjouit d’être, bien que son état de santé empire. Une œuvre en particulier témoigne de l’atmosphère festive de la Villa Médicis : le célèbre Cortège (1914) pour violon (ou flûte) et piano. D’un caractère insouciant et enjoué, cette œuvre trouve ses sources dans la musique impressionniste avec l’emploi de gammes pentatoniques et de motifs fragmentés ; sa vivacité tient à l’usage fréquent de pizzicati au violon et d’accords staccato au piano, mais aussi de nuances contrastées. Durant son séjour, elle poursuit aussi la composition de plusieurs œuvres d’inspiration religieuse : Psaume 24 (1914-1916), Psaume 129 (1914-1916) et Psaume 130 ; Du fond de l’abîme (1914-1917), ainsi que Vieille Prière bouddhique (1914-1917).

En plein conflit mondial, Nadia et Lili Boulanger fondent en 1915 le Comité franco-américain du Conservatoire. L’objectif est de soutenir moralement et financièrement les élèves et anciens élèves des classes de composition alors mobilisés, combattants ou prisonniers. Ainsi, par le biais de la Gazette de Composition du Conservatoire, les sœurs donnent la parole aux musiciens engagés : dix numéros sont édités et envoyés au front. Cette même année, Nadia Boulanger compose Vers la vie nouvelle pour piano (1915) qui est intégrée à la publication Les Écoles de l’avenir, écoles régénératrices de Lisa Frouin en faveur des familles défavorisées.

Mais Lili Boulanger se bat contre une déficience immunitaire qui l’affaiblit terriblement. En 1916, elle retourne néanmoins à la Villa Médicis à Rome, accompagnée de sa sœur, où elle travaille sur son projet d’opéra, La Princesse Maleine (1916-1918), un drame lyrique en cinq actes d’après la pièce de Maurice Maeterlinck. Elle poursuit la composition tant bien que mal lors d’un séjour à Arcachon. De retour à Paris, elle subit, à la suite d’une nouvelle crise, une opération en juillet 1917 qui se révèle inefficace. Elle sait que ses jours sont comptés.

Alitée, elle continue de composer avec ferveur comme l’attestent D’un matin de printemps pour violon (ou flûte) et piano (autres versions pour trio avec piano et orchestre) (1917-1918) et D’un soir triste pour trio avec piano (autres versions pour orchestre et violoncelle et piano) (1917-1918) qui emploient les mêmes premières notes et perpétuent l’usage d’un rythme pointé, bien que la seconde œuvre soit empreinte d’une atmosphère bien plus lugubre et solennelle. Ces deux pièces seront les dernières écrites de la main de la compositrice. Nadia Boulanger témoigne de cette ultime période de création en ces termes : « Elle se soignait, non pour vivre plus longtemps, mais espérant dire ce qui lui restait à dire, et pas comme une confidence, mais comme l’expression de la musique qui sourdait en elle en dehors de toute espèce d’effet extérieur. Elle écrivait parce qu’elle avait à parler et elle avait à parler le langage inaccessible qu’est le langage de l’art ».

Fuyant les bombardements, les deux sœurs s’installent chez Madame Rivière à Mézy-sur-Seine. Sur son lit de mort, Lili Boulanger dicte à sa sœur son ultime chef-d’œuvre, Pie Jesu pour chant, quatuor à cordes, harpe et orgue. Le 15 mars 1918, elle s’éteint à l’âge de vingt-quatre ans des suites d’une tuberculose intestinale. Nadia Boulanger ne se remettra jamais de cette cruelle perte. De sa sœur, elle déclare : « Elle représente le meilleur, le plus intime, le plus profond de ma vie ». Elle décide alors de se dédier corps et âme à la diffusion de la production de Lili.

Au début des années 1920, Nadia Boulanger cesse de composer, qualifiant a posteriori sa musique d’«inutile ». Les raisons véritables de ce choix restent encore à ce jour mystérieuses. Pour celle qui considérait qu’une œuvre réussie était « un amalgame d’obéissance et de liberté », une page est définitivement tournée. C’est à ce moment-là que son activité de pédagogue prend son envol. Après avoir été répétitrice dans la classe d’harmonie d’Henri Dallier au Conservatoire de Paris, elle devient en 1919 professeure d’orgue, d’harmonie et de contrepoint à l’École Normale de Musique, à l’invitation d’Alfred Cortot et d’Auguste Mangeot. Mais c’est au Conservatoire américain de Fontainebleau qu’elle acquiert une renommée internationale en tant que pédagogue. Nadia Boulanger y a formé des générations de brillants musiciens américains ou venant d’autres pays, dont John Adams, Daniel Barenboim, Leonard Bernstein, Elliott Carter, Theodore Chanler, Aaron Copland, John Eliot Gardiner, Philip Glass, Quincy Jones, Michel Legrand, Astor Piazzolla, Walter Piston et Virgil Thomson.

Elle donne aussi dans le salon de son appartement parisien, situé 36 rue Ballu, des cours collectifs d’analyse organisés tous les mercredis avec une trentaine d’élèves et consacrés aux cantates de Bach. Passionnée par la musique baroque, la princesse Winnaretta Singer-Polignac aime à se rendre aux « cours de cantate » et propose à sa nièce, la soprano Marie-Blanche de Polignac, de l’accompagner. Nadia Boulanger confie à la comtesse que ce rendez-vous hebdomadaire revêt pour elle une grande importance.
Au début des années 1930, elle se voit confier l’organisation de concerts dans le salon de la princesse de Polignac avec qui elle s’est liée d’amitié. Les œuvres d’Igor Stravinski, leur ami commun, occupent une place centrale dans la programmation.

Elle fonde en 1935 un ensemble instrumental et vocal à géométrie variable dont les principaux interprètes sont Marie-Blanche de Polignac, Gisèle Peyron, Irène et Nathalie Kedroff, Hugues Cuénod, Paul Derenne et Doda Conrad. Sous sa direction, l’ensemble fait de nombreuses tournées et rencontre un vif succès avec un vaste répertoire allant de la Renaissance à la musique contemporaine. L’un des concerts phares est celui donné en 1936 dans le cadre de la BBC au Queen’s Hall durant lequel elle dirige le Requiem de Fauré. Elle devient la première femme à diriger le Royal Philharmonic Orchestra basé à Londres, puis le New York Philharmonic Orchestra et le Boston Symphony Orchestra.

Durant la Seconde Guerre mondiale, elle s’exile – non sans remords – aux États-Unis où conférences, cours et concerts s’enchaînent à un rythme effréné. À bout de force, elle rejoint à Santa Barbara son cher Stravinski avec lequel elle entretient une réelle complicité professionnelle et amicale.

De retour en France en 1946, elle est nommée professeure d’accompagnement au Conservatoire de Paris. Elle prend parallèlement la direction du Conservatoire américain de Fontainebleau en 1949 où elle fera rayonner l’enseignement français jusqu’à son décès. Elle partage l’étendue de son savoir avec un nombre impressionnant d’élèves dont Lennox Berkeley, Leonard Bernstein, Aaron Copland, Idil Biret, Annette Dieudonné, Jean Françaix, Dinu Lipatti, Igor Markevitch, Yehudi Menuhin, Emile Naoumoff et Louise Talma, pour n’en citer que quelques-uns, dont le profond attachement à « Mademoiselle » ne se tarira jamais.

Nommée maître de chapelle de la Principauté par le Prince Pierre de Monaco (comte de Polignac), elle est chargée pendant près de trente ans de l’ordonnancement musical de toutes les cérémonies importantes. Elle se voit décerner les plus hautes distinctions dont celle de Grand Officier de la Légion d’honneur le 9 février 1977.
La « Reine de la Musique », comme aimait la surnommer Leonard Bernstein, s’éteint à l’âge de quatre-vingt-douze ans le 22 octobre 1979 à Paris. Elle repose avec sa sœur au Cimetière de Montmartre.