Родилась в семье рабочего-революционера С. Я. Аллилуева. Крестница советского партийного деятеля А. С. Енукидзе.

Когда в 1917 году И. В. Сталин вернулся в Петроград из сибирской ссылки, между ним и шестнадцатилетней Надей начался роман. В 1918 году они поженились. Их дети Василий (1921—1962) и Светлана (р. 1926).

Работала в Наркомате по делам национальностей, в секретариате В. И. Ленина, сотрудничала в редакции журнала «Революция и культура» и в газете «Правда». В 1921 году исключалась из партии «за общественную пассивность и приверженность к анархо-синдикализму». С 1929 года училась в Московской промышленной академии на факультете текстильной промышленности.

В ночь с 8 на 9 ноября 1932 года Надежда Сергеевна выстрелила себе в сердце из «Вальтера», запершись в своей комнате.

Памятник на могиле Надежды Аллилуевой авторства скульптора И. Д. Шадра (ныне на кладбище установлена копия скульптуры, подлинник находится в Третьяковской галерее)

Принято считать, что поводом для её самоубийства послужило обострение болезни. Её часто мучали сильные головные боли. У неё, судя по всему, было неправильное сращивание костей черепного свода, и в подобных случаях самоубийство не редкость.

Что, например, говорят о смерти Аллилуевой? Одни предполагают, что её убил Будённый, стоявший за занавеской во время разговора Сталина с женой. Другие — что помощники Сталина, потому что она была его политическим противником. Третьи — будто Сталин её застрелил из ревности. А существует скучная правда жизни: у этой женщины была тяжёлая болезнь мозга. Она ездила лечиться в Дюссельдорф, где тогда жила семья её брата. Тяжёлые отношения со Сталиным, безусловно, сыграли свою роль. Но страшней всего для Аллилуевой были чудовищные головные боли, способные довести до самоубийства… Реальные факты всегда менее интересны, чем сплетни.

Лариса Васильева

В газете «Правда» был напечатан официальный некролог, а также особое письмо-соболезнование Сталину лично от Бориса Пастернака.

Н. С. АЛЛИЛУЕВА. В ночь на 9 ноября скончалась активный и преданный член партии тов. Надежда Сергеевна Аллилуева. 

Газета «Правда» от 10 ноября 1932 года

Похоронена на Новодевичьем кладбище, на её могиле поставлен памятник из белого мрамора с надписью: «Надежда Сергеевна Аллилуева-Сталина / 1901—1932 / член ВКП(б) / от И. В. Сталина».

Иосиф Виссарионович Сталин часто посещал могилу жены и долго сидел на мраморной скамейке напротив.

В настоящее время памятник Аллилуевой накрыт плексигласовым коробом, так как данный тип мрамора разрушается в условиях московской погоды. У основания памятника раньше лежала чугунная роза.