永禄8年（1565年）3月、関東の中原をおさえる要衝・関宿城が北条氏康の攻撃に晒される（第一次関宿合戦）。氏康は岩付城や江戸城を拠点に、利根川水系など関東における水運の要となるこの城の奪取に傾注していた。輝虎は、関宿城主・簗田晴助を救援するため下総国へ侵攻、常陸の佐竹義重（佐竹義昭の嫡男）も関宿城へ援軍を送る。このため氏康は攻城を中断、輝虎と戦わずして撤退した。6月、信玄が西上野へ攻勢をかけ、上杉方の倉賀野尚行が守る倉賀野城を攻略。9月、輝虎は信玄の攻勢を食い止めようと、大軍を率いて武田軍の上野における拠点・和田城を攻めたが成功しなかった。なおこの年、2月に越前守護・朝倉義景が一向一揆との戦いで苦戦していたため、輝虎に救援を要請している。さらに5月には、将軍・足利義輝が三好三人衆の謀反により殺害された（永禄の変）。永禄9年（1566年）、輝虎は常陸国へ出兵して再び小田城に入った小田氏治を降伏させるなど、攻勢をかける。また輝虎と同盟を結ぶ安房国の里見氏が北条氏に追い詰められていたため、これを救援すべく下総国にまで侵出。3月20日に北条氏に従う千葉氏の拠点・臼井城に攻め寄せた。上杉方が有利で実城の際まで迫ったが、3月24日に敗北する。撃退された要因は籠城方の健闘であったとされる、また足利義昭の3月10日附の書状を義昭の使者が臼井の上杉軍のもとに持参して、北条氏と和睦して幕府再興のために上洛するように要請したことが、上杉軍の退却に繋がったのではないかとも指摘されている（臼井城の戦い）。臼井城攻めに失敗したことにより、輝虎に味方・降伏していた関東の豪族らが次々と北条氏に降る。9月には上野金山城主・由良成繁が輝虎に背く。さらに同月、西上野の最後の拠点・箕輪城が信玄の攻撃を受けて落城。城主・長野業盛は自刃し、西上野全域に武田の勢力が伸びた。関東において、北条氏康・武田信玄の両者と同時に戦う状況となり守勢に回る。さらに輝虎は関東進出を目指す常陸の佐竹氏とも対立するようになる。永禄10年（1567年）、輝虎は再び背いた佐野昌綱を降伏させるため唐沢山城を攻撃、一度は撃退されるも再び攻め寄せ、3月に昌綱を降伏させた。しかし厩橋城代を務める上杉の直臣・北条高広までもが北条に通じて謀反を起こす。4月、高広を破り、厩橋城を奪還。上野における上杉方の拠点を再び手中にして劣勢の挽回を図る。輝虎は上野・武蔵・常陸・下野・下総などで転戦するも、関東における領土は主に東上野にとどまった（ただし、謙信没時、上野・下野・常陸の豪族の一部は上杉方）（唐沢山城の戦い）。
祖母の節子は科学者の高峰譲吉の妹である。父親の南達吉は東京帝国大学法科大学（現東京大学法学部）を卒業して南家の家督を継いだ人物である。母親のきよは日本女子大学国文科で学んだ歌人である。1911年（明治44年）2月12日、富山県射水郡下関村（現高岡市中川）の地主の家に生まれた（三女）。母親は南が幼いころに亡くなったため顔も知らず、継母に育てられたうえ、12歳の時には父親が急死した。こうして早くに両親を亡くしたことから、高岡市中川で親族によって育てられた。1924年（大正13年）に富山県立高岡高等女学校（現富山県立高岡西高校）に入学し、1928年（昭和3年）に高岡高等女学校を卒業した。富山では一度目の結婚を行って子供を儲けた。太平洋戦争後の1945年（昭和20年）、34歳の時には長男とともに上京。佐多稲子の紹介で作家の壺井栄に童話を、洋画家の森芳雄に油絵を学んだ。現在、南の童話を収録した本が出版されている。1949年（昭和24年）には第13回自由美術展に油彩画「抒情詩」を出品し、森芳雄のアトリエで後に夫となる版画家の浜口陽三と出会った。1954年にフランス・パリに渡ると、フランスでは浜口と暮らした。40歳を過ぎてから銅版画の世界に入り、ジョニー・フリードランデル版画研究所でアクアチントを学んだ。1955年には自由美術家協会会員に推され、1956年には「風景」がフランス文部省に買い上げられた。1957年にはニューヨーク近代美術館(MoMA)のクリスマスカードに「羊飼いの少女」が採用され、1958年にはユニセフによるグリーティングカードに「平和の木」が採用された。このグリーディングカードは200万枚以上が発行され、2度増刷されている。1964年にはユニセフの1966年版カレンダーに「子供と花束と犬」が採用された。1970年に出版された谷川俊太郎の詩集『うつむく青年』では、ペン画による挿絵や装画を手がけた。谷川は「銅のフェティシズム 南桂子さんに」という詩を詠んでいる。1968年には親交のあった朝吹登水子らが翻訳を担当した『世界文学全集 46 ボーヴォワール/デュラス』（講談社）で挿絵8点を手掛け、1969年に出版された福永武彦の『幼年 その他』（講談社）でも挿絵を手掛けている。1961年から1981年まではパリの画廊と専属契約を交わしている。1982年には帝国ホテルの全客室に南の銅版画が飾られ、1992年に創刊した帝国ホテルの情報誌「IMPERIAL」では1号から13号まで連続して南の作品が表紙を飾った。2011年時点でも一部の客室には南の作品が飾られている。1981年にはパリからアメリカ合衆国のサンフランシスコに移り、1984年には日本版画協会名誉会員に推挙された。1996年に日本に帰国。1998年には浜口陽三の作品を常設展示する「ミュゼ浜口陽三・ヤマサコレクション」が開館し、南の作品の所蔵も行っている。2000年には夫の浜口陽三が死去。2004年、心筋梗塞により東京都内港区の病院で死去した。93歳。