1969年にヤマハの市販レーサーTD-2でグランプリにデビューした。ベストシーズンは1973年で、この年は350ccクラスで3勝を挙げ、250ccクラスでも2勝を挙げて両クラスでランキング2位を獲得。この活躍が認められ、翌1974年には前年に事故死した同郷のヤーノ・サーリネンの跡を継ぐ形でヤマハワークス入りし、デビュー2年目のYZRでヤマハのエースライダーである元チャンピオンのジャコモ・アゴスチーニを凌ぐ500ccクラスランキング3位を獲得した。1975年からはスズキに移籍し、1976年にはチームメイトのバリー・シーンに次ぐランキング2位となった。
東京市芝区三田に米穀商の娘として生まれる。母親の北田とみこ（旧姓：山田）は日本舞踊の師匠をしていた。終戦後、茨城県土浦市に移り、1949年（昭和24年）、茨城県土浦第一高等女学校（現：つくば国際大学高等学校）を卒業後、16歳で単身上京し、（1952年（昭和27年）文化学院卒業）。水谷八重子に弟子入りする。1951年（昭和26年）大映5期ニューフェイスとして入社。同期に若尾文子がいた。翌1952年（昭和27年）の『美女と盗賊』で映画デビュー。1953年、若尾文子と共演した『十代の性典』が大ヒット。好評によってシリーズ化され、「性典スター」と呼ばれた。1955年、大映から日活に移籍。日活の常務の進言により、芥川賞を受賞した話題作『太陽の季節』が映画化されて長門裕之とともに主演し、こちらも大ヒット。名実ともに日活の看板スターとなった。1957年の『幕末太陽傳』では左幸子と共演して話題となった。1961年、長門と結婚。1963年（昭和38年）、『サムライの子』でブルーリボン助演女優賞を受賞。同年、『おかしな奴』でホワイト・ブロンズ賞女優賞受賞。1964年（昭和39年）、長門とともに「人間プロダクション」を設立。太田博之、島かおりなどを育てると同時にドラマ制作にも乗り出す。この時期よりテレビドラマへの出演も多くなり、NHKの『紀ノ川』（1965年）で「日本放送作家協会女性演技賞」を受賞。また、女優としての活動以外にも長門と2人で『ミュージックフェア』の司会を1965年（昭和40年）から約16年間、京都放送の交通遺児募金キャンペーン『かたつむり大作戦』のメインパーソナリティーを20年以上、それぞれ担当。1978年（昭和53年）10月から1979年（昭和54年）9月までの約1年間、病気で降板したうつみ宮土理の後を継いで『クイズダービー』の4代目2枠レギュラー解答者としても出演する。。その他、多くのバラエティ番組やCM、ドラマなどへ出演しており、おしどり夫婦のイメージのもとに最晩年まで多彩な活動をしていた。十数年ごとの自宅建て替えの際は南田が自ら図面を引いていた。建て替えのたびに、建設費用の高額さと建て替えまでの期間の短さがワイドショーで取り上げられている。長門は「まだ住めるのに」とインタビューで不満を漏らすことがあったが、「洋子の趣味だから仕方ない」と許容する度量を見せている。1998年（平成10年）には、舅・沢村國太郎の介護の経験を中心に綴った『介護のあのとき』を出版し評判となる。2004年（平成16年）頃から認知症の症状が表れ始め、ドラマや映画の台詞が覚えられなくなるほど悪化。2006年（平成18年）に芸能活動をひっそりと引退。専門医によりアルツハイマー病との診断が下された。その後、長門が雑誌などで南田が引退したことをそれとなく語っていたが、やがて女性週刊誌などが南田の病状について報道し出す。2008年（平成20年）、長門が『徹子の部屋』へゲスト出演した際に、夫婦共々深い親交がある黒柳徹子へ南田が認知症で要介護状態であること打ち明け、南田の病状を初めて公表。同年には『報道発 ドキュメンタリ宣言』の第1回放送（2008年11月3日）で長門との闘病の模様が放送され、高視聴率を記録するなど、大きな反響を呼んだ。2009年（平成21年）4月1日、意識混濁状態となり救急車で都内の病院に緊急入院（同月18日に退院）。長門は記者会見で「混濁した中でも、僕を一瞬認めて笑った気がします」と涙を浮かべながらも気丈に、南田の状況についてコメントした。翌5月には長門著『待ってくれ、洋子』（主婦と生活社）が出版された。同年10月9日放送の『中居正広の金曜日のスマたちへ』で長門夫妻を取り上げた際には、取材VTRの中で、車椅子姿の南田が顔なじみのスタッフにねぎらいの言葉を掛ける一幕もあった。その取材映像が南田洋子の生涯最後の公の映像となった。2009年（平成21年）10月17日に自宅で倒れ、クモ膜下出血との診断を受けて都内の病院に再入院。危篤状況が続いていたが、意識が戻らず、同10月21日に死去した。76歳没。夫の長門は明治座で舞台公演の仕事があった為に、南田の最期を看取ることは出来ず、10月21日の夜に「さよならも言わずに…、この世を去りました…」と悲しみの記者会見を執り行った。なお南田の葬儀は、長門の公演が終了した10月29日に通夜、翌10月30日に告別式が港区の増上寺で営まれ、長門が喪主を務めた。遺体は品川区の桐ヶ谷斎場で荼毘に付された。法名は「華徳院釈尼洋愛」。萩本欽一、大林宣彦監督、萬田久子が弔辞を読んだ。テレビドラマの遺作は2006年日本テレビ放送の『戦国自衛隊・関ヶ原の戦い』。映画作品の遺作は2007年8月18日公開『22才の別れ Lycoris 葉見ず花見ず物語』である。南田の死から約1年半が経った2011年（平成23年）5月21日に、夫の長門も脳出血でこの世を去った。