Thea Sternheim war die Tochter des wohlhabenden Schraubenfabrikanten Georg Bauer. Sie wurde katholisch erzogen und besuchte Mädchenpensionate, darunter eines in Brüssel. Bereits als Schülerin begann sie einen Briefwechsel mit Maurice Maeterlinck. Im November 1901 heiratete sie gegen den Willen ihrer Eltern in London den zehn Jahre älteren Arthur Löwenstein, den Vater ihrer ersten Tochter Agnes Löwenstein (1902–1976). 1903 lernte sie Carl Sternheim kennen, der noch verheiratet war. Mit ihm hatte sie die 1905 geborene Tochter Dorothea („Mopsa“) (1905–1954) und den Sohn Klaus (1908–1946). 1906 verließ sie Arthur Löwenstein endgültig; die Ehe wurde 1906 geschieden, das Sorgerecht und die Vermögensverwaltung für beide Töchter erhielt Löwenstein, obwohl die zweite das Kind Sternheims war.

Noch während ihrer ersten Ehe begann sie Tagebuch zu führen. Thea Sternheim begann früh, Bilder von Vincent van Gogh zu sammeln und erwarb auch Bilder von Henri Matisse, Pierre-Auguste Renoir und Pablo Picasso. 1907 heiratete sie Carl Sternheim. 1908 bezog sie mit der Familie das von ihr selbst entworfene, vom Architekten Gustav von Cube danach gebaute schlossähnliche Anwesen „Bellemaison“ in Höllriegelskreuth bei München. Von Sternheim entfremdete sie sich wegen dessen sexueller Untreue, seiner Wahnvorstellungen und der Verschwendung ihres Vermögens und entzog ihm schließlich dessen Verwaltung. 1927 wurde sie von Carl Sternheim geschieden. 

Sie schloss intensive Freundschaften u. a. mit Frans Masereel, André Gide, Gottfried Benn sowie mit dem belgischen Maler Herman-Lucien de Cunsel (1908–1971), ihrem jahrzehntelangen Lebensfreund, sowie zuletzt in Basel mit Peter Geiger. Verschiedene französischsprachige Werke u. a. von André Maurois übersetzte sie ins Deutsche. Noch vor der Machtübergabe an die Nationalsozialisten emigrierte sie 1932 nach Frankreich. Ihre Tagebücher zeigen, dass sie den Gang der politischen Ereignisse schon sehr früh vorausahnte; sie erkannte, worauf die Entwicklung in Deutschland hinauslaufen würde. In Frankreich wurde sie bei Kriegsausbruch 1939 kurzzeitig im Lager Camp de Gurs interniert, konnte aber unter anderem in Gemeinschaft mit Alexandra Ramm-Pfemfert fliehen. In Deutschland wurde ihr Vermögen eingefroren, schließlich lebte sie verarmt in einer kleinen Wohnung in Paris. 1944 wurde ihr die deutsche Staatsangehörigkeit aberkannt.

Nach Kriegsende blieb sie in Frankreich. Dort pflegte sie eine Zeit lang den Kontakt mit der in den 1930er-Jahren nach Paris emigrierten Berliner Gesellschaftsfotografin Frieda Riess. Ihre beiden drogenabhängigen „Sternheim-Kinder“ starben früh: Klaus 1946 in Mexiko und Mopsa, die bis 1945 im KZ Ravensbrück inhaftiert war, starb 1954 an Krebs. Thea Sternheim erhielt für diese Leidenszeit ihrer Tochter im Konzentrationslager eine Wiedergutmachungszahlung, die sie vor der völligen Verarmung bewahrte. 1963 zog sie aus finanziellen und gesundheitlichen Gründen zu der ersten Tochter Agnes, die den Lorca-Übersetzer Enrique Beck geheiratet hatte und unter dem Künstlernamen Inés Leuwen-Beck als Sängerin und Musikdozentin an der Musikhochschule Freiburg i. Br. tätig war, nach Basel.

Außer ihren Tagebüchern schrieb sie den Roman Sackgassen. Postum wurde ihr Briefwechsel mit Gottfried Benn veröffentlicht, darin sind auch Auszüge aus den Tagebüchern Mopsas enthalten.