Upptäckten gjordes under ett oanmäld besök på HMP Bronzefield nära Ashford i Surrey i april.
Nick Hardwick, chefsinspektör för fängelserna, sade att det innebar "korrekt, omänsklig och förnedrande behandling".
Fängelsedirektören sa att den bara skulle avskilja en fånge om den kände att det inte fanns något annat alternativ.
Charlotte Pattison-Rideout, chef för HMP Bronzefield, Sodexo Justice Services, sade att fängelset hade tagit till sig rekommendationerna i rapporten och redan hade börjat ta itu med dem. Hon tillade att fängelsets politik alltid var att söka återintegrering där det var möjligt.
David Hardwick påpekade att vissa av de frågor som tas upp i rapporten kräver "ett helt annat tillvägagångssätt" på nationell nivå.
I inspektionsrapporten sade han: "Vi blev bestörta över att den kvinna som redan hade varit i segregeringsenheten under tre år 2010 fortfarande var kvar 2013.
"Hennes cell var ovårdad och smutsig och hon lämnade den sällan.
"Även om fler aktiviteter hade organiserats för henne och bättre tvärvetenskapligt stöd fanns tillgängligt, hade hon fortfarande för lite att sysselsätta henne med.
"Hennes långvariga placering på segregationsenheten utgjorde en grym, omänsklig och förnedrande behandling - och vi använder dessa ord med gott samvete."
Hardwick sade att behandling och villkor för andra kvinnor som hållits under långa perioder i segregation var "lite bättre".
Han sade: "Mycket av detta stod utanför fängelsets direkta kontroll och krävde en nationell strategi för att tillgodose behoven hos dessa mycket komplexa kvinnor - som finns i det manliga ståndet."
Men han tillade att Bronzefield själv behövde göra mer för att "sammanjämka de värsta effekterna av detta nationella misslyckande".
I betänkandet efterlyses en politik för att hjälpa kvinnor att hantera "med komplexa behov som inte kan stödjas i fängelsets normala läge".
Frances Crook, chef för Howard League for Penal Reform, sade: " Detta chockerande fall av behandling, som verkar vara tortyr, i ett engelskt fängelse bör skamsna ministrar som tolererar överanvändning av vårdnaden för kvinnor och därmed dålig behandling.
"Her Majestys chefsinspektör har helt rätt i att specialistvård utanför fängelsemurarna måste utvecklas för den handfull kvinnor som utgör särskilda utmaningar."
I betänkandet sades det att arrangemangen för att transportera fångar till och från fängelset var oacceptabla.
Enligt rapporten bars kvinnor i fordon med män och tillbringade långa perioder i skåpbilen, möjligen för att de var tvungna att vänta medan manliga fångar släpptes av först.
Somliga klagade över att de kände sig osäkra på resan, tillade den.
Bland de positiva inslag som inspektörerna identifierade fanns praktiska vidarebosättningstjänster, god mottagning, första natten och induktionsarrangemang samt mycket gott stöd till kvinnor som har problem med missbruk under hela sin vistelse i fängelserna.
Juliet Lyon, chef för Fängelsereformen, sade: " Chefsinspektören rapporterar att personalen gör sitt bästa för att tillgodose behoven hos kvinnor i Bronzefield, av vilka många har dålig psykisk och fysisk hälsa, är beroende av droger och dryck och är traumatiserade genom separation från sina barn.
"Men varför i denna tid transporteras kvinnor med så komplexa behov som boskap och dumpas i fängelse, där en av de mest skadade kvinnorna lämnas att ruttna i någon form av isolering i sex år?
"Vi är snabba att fördöma grym, omänsklig och förnedrande behandling av människor i fängelse i andra länder, nu måste regeringen agera för att rätta till brister i våra egna kvinnors rättssystem."
Anne-Marie Pattison-Rideout sade: "Vi har tagit till oss rekommendationerna i betänkandet och har redan börjat ta itu med dem. Vi kommer att fortsätta att arbeta för att ytterligare förbättra kvaliteten på våra tjänster på Bronzefield.
– Vi kan inte kommentera individer. Vi skulle dock bara segregera en fånge med begränsad status med komplexa behov under vilken tid som helst om vi ansåg att det inte fanns något annat alternativ, men vår politik är att ständigt söka återanpassning där det är möjligt.
"I rapporten erkändes bristen på en nationell strategi för att hantera kvinnor med sådana komplexa behov.
"Vi har haft ett nära samarbete med den nationella åklagarmyndigheten om hur man bättre kan stödja fångar med begränsad status, och vi väntar på resultatet av den kommande översynen av kvinnovården."
En intern på ett kvinnofängelse hölls i segregation i mer än fem år, har en inspektionsrapport avslöjat.