Francesca Gaetana Cosima Liszt naît près du Lac de Côme de la liaison du pianiste et compositeur Franz Liszt et de la comtesse Marie d’Agoult.
En 1857, Cosima épouse Hans von Bülow, un des élèves les plus doués de son père, pianiste et chef d’orchestre ; « un grand malentendu » écrira-t-elle, d’où naîtront deux filles.

Bülow présente Cosima à Richard Wagner, de vingt-quatre ans son aîné et lui-même déjà marié ; Une liaison commence en 1863 et l’année suivante, Richard s’installe près de Munich, dans une résidence du roi Louis II de Bavière, protecteur du compositeur. Cosima lui rend visite et Wagner la fait passer pour sa secrétaire. En 1867, Wagner s’installe en Suisse et l’année suivante, Cosima vient officiellement s’établir avec lui.
Elle se sépare de Bülow en 1867 , et donne naissance à trois enfants, Isolde, Eva et Siegfried, prénoms tirés d’opéras de Wagner, respectivement Tristan et Isolde, Les Maîtres Chanteurs de Nuremberg et L’Anneau du Nibelung.
En décembre 1870 , le lendemain de son anniversaire, Richard Wagner lui offre « Siegfried-Idyll », hymne instrumental au bonheur conjugal. La famille Wagner s’installe à Bayreuth en 1874.
Cosima Wagner s’occupe alors de la correspondance de son époux et conseille celui-ci sur le plan de la création. Elle entretient une correspondance entre 1870 et 1889 avec le philosophe Friedrich Nietzsche, grand admirateur de l’œuvre de Wagner. De 1869 à 1883, elle tient un Journal qui complète des Mémoires (Ma vie) que Richard « dicta » à Cosima. On y trouve surtout des informations sur la vie quotidienne du compositeur, mais aussi sur la vie intellectuelle et l’histoire de leur époque. Il ne sera publié qu’en 1976.

Il revient à Cosima Wagner d’avoir maintenu l’existence du Festival de Bayreuth et d’en avoir fait une institution, alors que seules deux saisons exceptionnelles avaient eu lieu en 1876 et 1882. Elle en prend officiellement la direction en 1886. Aidée de son fils Siegfried, elle le dirigea jusqu’en 1908.
Elle fit de Bayreuth le lieu de la célébration du culte de son défunt mari, dans une orientation résolument conservatrice, refusant tout changement dans la mise en scène, les décors et les costumes de la création de Parsifal, exigeant des chanteurs une loyauté totale.
Surnommée « La maîtresse de la Colline » ou encore « La reine veuve de Bayreuth », elle meurt en 1930 l’âge de 92 ans, quarante-sept ans après Richard Wagner et est enterrée dans le jardin de la Villa Wahnfried de Bayreuth.