Va néixer el 20 de maig del 1882 a la ciutat de Kalundborg, població situada al comtat de Sjælland occidental de l'illa de Sjælland, filla d'Ingvald Undset, arqueòleg de reconeixement internacional i especialitzat en l'edat del ferro a Europa. Tot i néixer a Dinamarca, la seva família es va traslladar a Noruega quan ella tenia dos anys. Va cursar els estudis a Oslo, però no va poder cursar estudis universitaris a causa de la mort del seu pare, i hagué de treballar com a secretària en una important empresa d'enginyeria. Convertida al catolicisme l'any 1924, el 1940 va fugir als Estats Units davant la seva oposició al règim nazi i l'ocupació alemanya del seu país. Retornà al seu país el 1945, un cop acabada la Segona Guerra mundial.