胡兰畦才貌双全，据说，四川军阎杨森曾想娶她做小老婆，被她断然拒绝。作家茅盾闻听胡兰畦的故事后，写出了他的第一部长篇小说《虹》。
1922年，从法国勤工俭学回来的陈毅担任重庆《新蜀报》的主笔，并写出了大量思想激进的诗文。胡兰畦就是受到他的文章鼓舞的青年中的一个。她直接到报馆寻找陈毅，从此二人成了亲密的朋友。
1927年，她投考武汉中央军事政治学校，被录取编入女生队。
1927年2月，武汉中央军事政治学校正式开学，陈毅也被派到学校任中共党团书记。胡兰畦与陈毅在军校重逢。
据考证，胡兰畦来到武汉前后，曾与川军青年军官陈梦云有过一段婚姻。
1933年春，大批共产党员和进步人士被捕，胡兰畦也被关入女牢。在宋庆龄和鲁迅等人的抗议下，胡兰畦于三个月后获释。随后，她在法国发表了回忆录《在德国女牢中》，文章立即被译成俄、英、德、西四种文字，使胡兰畦的名声传遍了欧洲。
全面抗战爆发后，胡兰畦组建了上海劳动妇女战地服务团，并辗转于八个省的抗日前线从事抗战宣传。由于影响甚大，胡兰畦被国民政府军委会任命为少将指导员。
1938年初，胡兰畦率领服务团来到南昌。此时，项英、陈毅等人也在南昌组建新四军。自大革命失败后，胡兰畦与陈毅已经有十年没见面了，久别重逢，两人的喜悦之情难以言表。胡兰畦讲述了这些年的经历，也提到了与陈梦云离婚的情况。
对于两人的恋情，《民国大腕》这样描述：“陈毅在南昌与胡兰畦欲订白首之盟，组织上却不同意，说二人倘若结婚，胡的党员身份就暴露了，二人只得痛哭而别。陈毅曾致信胡兰畦为了革命，我们就吃下这杯苦酒吧！假如我们三年内不能结合，就各人自由，互不干涉。”'
在三年多时间里，胡兰畦率领服务团的姑娘们，足迹遍及上海、江苏、安徽、浙江、江西、湖南、湖北、河南等各个战场，行程两万多里，被誉为“战地之花”“当代花木兰”。
1947年6月，国民党的报纸用触目惊心的大幅标题刊登“陈毅阵亡”，还用大幅版面详细描述“陈毅追悼会”的经过。胡兰畦得知后十分伤感。后来她接到陈毅父母来信，便决心赡养二老，她把成都东门外的一处果园、田地和房屋，准备给二老做养老之用。
1949年，上海解放，陈毅当了市长。胡兰畦写信要见他，接待她的却是副市长潘汉年，这时，陈毅已儿女成群了。
胡兰畦再没有婚育，为解寂寞，她收养了妹妹的女儿。解放后，她被安排到北京工业学院从事后勤工作。命运多舛的她在“文革”中被错划为右派。1978年平反后，胡兰畦重新入党，并成为全国政协委员。
1994年12月13日，胡兰畦在成都逝世，享年九十三岁。她的一生历经坎坷，正如她自己在回忆录里所说：“这辈子只知道赶着时代大潮走，在浪尖上奔呀、跑呀，有时被礁石碰得头破血流，也只能独自舔着流血的伤口。”
