Barbara Hannigan naît en 1971 à Waverley (Canada). Diplômée d’un Master en musique de l'Université de Toronto en 1998, elle se forme également au Centre pour les arts de Banff (Canada), au Centre d'arts Orford (Québec), ainsi qu'au Conservatoire royal de La Haye. Elle fait ses débuts à l'opéra à l'Université, dans The Rake’s Progress d’Igor Stravinsky, où naît sa passion pour la musique contemporaine. A partir de 1999 elle participe à de nombreuses créations, à commencer par Writing to Vermeer de Louis Andriessen, puis du rôle de Despina en 2007 dans Signor Goldoni de Luca Mosca où elle fait ses débuts à La Fenice.

En 2008, la soprano crée le rôle de Lei dans Passion de Pascal Dusapin, mis en scène par Giuseppe Frigeni à Aix-en-Provence. L'année suivante, elle prend les rôles de Gepopo et Venus dans Le Grand Macabre de Ligeti à La Monnaie. Elle y retourne peu après pour la création de House of the sleeping beauties de Kris Defoort. Elle reprend son rôle dans Passion, mis en scène par la chorégraphe Sasha Waltz au Théâtre des Champs-Élysées en 2010, puis fait ses débuts au Théâtre du Châtelet avec l’opéra ballet d’Igor Stravinsky Le Renard. C'est à l'occasion de ce concert qu'elle débute en tant que chef d'orchestre. En 2011, elle retrouve la chorégraphe Sasha Waltz sur la création de Matsukaze (Hosokawa) à La Monnaie avant d'y prendre l'année suivante le rôle-titre de Lulu de Berg par Krszysztof Warlikowski, rôle qui lui vaut le salut des critiques. Cet année-là, elle crée le rôle d'Agnès dans Written on Skin de George Benjamin par Katie Mitchell à Aix-en-Provence.

Hannigan prend en 2014 le rôle de Marie dans Les Soldats de Zimmermann par Andreas Kriegenburg à l'Opéra d’État de Bavière. Elle revient à La Monnaie en Donna Anna (Don Giovanni de Mozart) où elle retrouve Warlikowski. En 2015, elle fait des débuts tonitruants à l'Opéra de Paris dans La Voix humaine (Poulenc) mis en scène par Warlikowski. Elle retourne en 2016 à Aix-en-Provence dans Pelléas et Mélisande par Katie Mitchell lors des adieux au rôle-titre de Stéphane Degout. Elle est nommée cette année-là Directrice musicale de l’Ojai Music Festival (Californie) pour l’année 2019. En 2017, la soprano reprend son rôle dans Lulu à Hambourg, dans une mise en scène de Christoph Marthaler. Elle fait également ses débuts au Festival de Glyndebourne en Ophelia dans Hamlet de Brett Dean. Cette année-là, elle fonde le programme de mentoring et soutien à la professionnalisation de jeunes artistes "Equilibrium". En 2018, elle participe à la création de Lessons in Love and Violence de George Benjamin au Royal Opera House. En septembre 2018, Barbara Hannigan tient le rôle-titre lors de la première mondiale de Bérénice (Jarrell) à Bastille. En mars 2019, elle mène une version concert de The Rake’s Progress (Stravinsky) à La Monnaie. 2021 marque notamment son retour à Lulu dans la mise en scène de Warlikowski dans cette même maison. En 2022 elle dirige et chante La Voix humaine de Poulenc en Italie et au Royaume-Uni. En février 2023, elle aborde le répertoire Wagnérien, avec Siegfried à Munich, Hambourg et au Luxembourg dans le rôle de l'Oiseau de la forêt.

En 2022/2023, Barbara Hannigan parcourt l'Europe en concerts, à la fois en tant que cheffe d'orchestre et soprano, sans toutefois prendre part à des productions d'opéra.