Barbara Lochbihler studierte Politikwissenschaft, Volkswirtschaft und Internationales Recht in München. Sie war von 1987 bis 1991 als Persönliche Parlamentsreferentin von Prof. Eleonore Romberg, MdL in Bayern tätig.

Anschließend war sie sieben Jahre lang Generalsekretärin der Internationalen Frauenliga für Frieden und Freiheit in Genf. Außerdem ist sie Kuratoriumsvorsitzende der Stiftung Menschenrechte – Förderstiftung Amnesty International und Gründungsmitglied des Deutschen Instituts für Menschenrechte. Von 1999 bis Juni 2009 war sie Generalsekretärin der deutschen Sektion von Amnesty International.

Im Juni 2009 zog sie für die Grünen ins Europäische Parlament ein.