Năm 1919, khi mới 9 tuổi, Nguyễn Thị Vịnh được gia đình cho theo học các lớp chữ Quốc ngữ, sau đó chuyển vào học tại lớp Nhì ở Trường nữ sinh Nguyễn Trường Tộ, thành phố Vinh. Năm 1924, Nguyễn Thị Vịnh chuyển sang học lớp Nhất Trường Tiểu học Cao Xuân Dục, chịu ảnh hưởng tư tưởng yêu nước từ các thầy giáo Trần Phú, Hà Huy Tập...
Từ năm 1925 đến năm 1927, đồng chí tham gia vào Hội Phục Việt rồi Hội Việt Nam cách mạng đồng chí ở Vinh do những người yêu nước như: Trần Phú, Hà Huy Tập, Tôn Quang Phiệt... sáng lập. Để giữ bí mật, đồng chí đã đổi tên từ Nguyễn Thị Vịnh thành Nguyễn Thị Minh Khai - cái tên đầy ý nghĩa và đã theo chị đến hết cuộc đời hoạt động cách mạng kiên cường của mình, năm đó chị vừa tròn 17 tuổi.
Đầu năm 1929, được sự đồng ý của tổ chức, Nguyễn Thị Minh Khai bí mật thoát ly gia đình để hoạt động cách mạng. Ngày 3/2/1930, Đảng Cộng sản Việt Nam ra đời, Nguyễn Thị Minh Khai đã được kết nạp vào Đảng. Chị phụ trách công tác tuyên truyền, huấn luyện các đảng viên công nhân trong khu vực Trường Thi, Bến Thủy và tổ chức nhiều lớp huấn luyện đào tạo cán bộ cho Đảng là lực lượng nòng cốt đã đấu tranh quyết liệt trong cao trào Xô viết Nghệ Tĩnh 1930 - 1931.
Mùa hè năm 1930, được sự tín nhiệm và giới thiệu của Xứ ủy Trung Kỳ, đứng đầu là đồng chí Nguyễn Phong Sắc, đồng chí Nguyễn Thị Minh Khai được cử ra ngoại quốc theo đường Hải Phòng đến Hương Cảng, Trung Quốc. Đồng chí đổi tên thành Ả Vầy hoạt động trong Văn phòng chi nhánh Đông Phương bộ của Quốc tế Cộng sản, cùng các đồng chí Nguyễn Ái Quốc, Hồ Tùng Mậu. Nguyễn Thị Minh Khai được đồng chí Nguyễn Ái Quốc trực tiếp giáo dục về lý luận những vấn đề cơ bản của Chủ nghĩa Mác - Lênin và kinh nghiệm hoạt động bí mật.
Tháng 4/1931, cơ quan Đảng ở Hồng Kông bị lộ, đồng chí Nguyễn Thị Minh Khai bị bắt cùng 20 đồng chí khác. Năm 1933, Nguyễn Thị Minh Khai được trả tự do nhờ sự vận động của Quốc tế Cứu tế đỏ. Ra tù, đồng chí đổi tên thành Vai và làm nghề may thuê trên đường phố Thượng Hải để tìm cách bắt liên lạc với Đảng. Cuối cùng đồng chí cũng liên lạc được với các đồng chí Lê Hồng Sơn, Trần Ngọc Danh, Lê Thiết Hùng, Hà Huy Tập, Lê Hồng Phong, Hoàng Văn Nọn… Cũng trong thời gian đồng cam cộng khổ này, đồng chí Nguyễn Thị Minh Khai đã nảy sinh tình cảm và kết hôn cùng đồng chí Lê Hồng Phong.
Tháng 9/1934, Nguyễn Thị Minh Khai vinh dự là người phụ nữ Việt Nam đầu tiên được cử tham gia Đoàn đại biểu Đảng đi dự Đại hội VII Quốc tế Cộng sản tại Mátxcơva cùng với Lê Hồng Phong (Trưởng đoàn) và Hoàng Văn Nọn. Trong lúc chờ Đại hội, đồng chí Nguyễn Thị Minh Khai đã được nhận vào học tập, trau dồi lý luận cách mạng tại Trường Đại học Phương Đông (tháng 1/1935).
Tại Đại hội, đồng chí Minh Khai đã gặp và nói chuyện thân mật với đồng chí N.K.Crúpxcaia, người đảng viên Bôn-sê-vích kỳ cựu và là người bạn đời của V.L.Lê Nin.
Sau khi tốt nghiệp Đại học Phương Đông, cuối năm 1936, đồng chí Nguyễn Thị Minh Khai được Quốc tế Cộng sản cử về nước truyền đạt đến các đồng chí lãnh đạo Đảng Cộng sản Đông Dương những chỉ thị quan trọng mà Quốc tế Cộng sản giao phó.
Cuối năm 1937, đồng chí Nguyễn Thị Minh Khai được phân công về công tác tại Sài Gòn. Đồng chí lấy bí danh là “Bảy Khai”, “Năm Bắc”, được bầu vào Xứ ủy Nam Kỳ và là Bí thư Thành ủy Sài Gòn - Chợ Lớn.
Ngày 22/6/1939, giữa lúc công việc bộn bề, nhiều khó khăn chồng chất, lại đang mang thai đứa con đầu lòng thì đồng chí Nguyễn Thị Minh Khai bàng hoàng nhận được tin đồng chí Lê Hồng Phong đã bị Mật thám Pháp lần ra tung tích và bắt. Nén đau thương, lo lắng cho người bạn đời, đồng chí vẫn tiếp tục hoàn thành nhiệm vụ lãnh đạo cách mạng Sài Gòn - Chợ Lớn. Đầu năm 1940, Minh Khai sinh hạ bé gái lấy tên Lê Nguyễn Hồng Minh, là tên ghép của Minh Khai và Hồng Phong.
Giữa năm 1940, Nhật nhảy vào Đông Dương, một phong trào đấu tranh dâng lên sôi sục ở Sài Gòn - Gia Định và các vùng nông thôn Nam Kỳ. Trước tình hình đó, Xứ ủy Nam Kỳ quyết định tiến hành một cuộc khởi nghĩa giành chính quyền. Ngày 30/7/1940, cơ sở Đảng bị lộ, Nguyễn Thị Minh Khai bị thực dân Pháp bắt tại Ngã Sáu, Bình Đông sau khi dự phiên họp của Xứ ủy Nam Kỳ.
Biết Nguyễn Thị Minh Khai là Bí thư Thành ủy Sài Gòn - Chợ Lớn, giữ vai trò quan trọng trong Xứ ủy Nam Kỳ, thực dân Pháp đã đưa đồng chí về giam tại Khám Lớn Sài Gòn và dùng đủ mọi cực hình tra tấn dã man như: dí điện vào người, treo ngược chân lên xà nhà, đóng đinh vào đầu ngón tay... Nhưng đồng chí vẫn nghiến răng chịu đựng, cương quyết không khai ra tổ chức và đồng chí của mình. Nhận thấy đòn roi không khuất phục được, bọn giặc sau khi biết Minh Khai và Lê Hồng Phong là vợ chồng, chúng đã dùng thủ đoạn đưa hai người về giam chung nhằm lung lạc tinh thần. Song kẻ địch đã thất bại trước một gia đình cộng sản kiên trung. Tất cả những gì thực dân Pháp nhận được chỉ là câu trả lời đanh thép: “Tôi không biết người này”.
Tuy bị giam cầm và tra tấn trong nhà tù của Pháp, nhưng với cương vị là Bí thư Thành ủy Sài Gòn – Chợ Lớn, Ủy viên Xứ ủy Nam Kỳ, Nguyễn Thị Minh Khai vẫn tìm mọi cách liên lạc với anh em đồng chí của mình để lãnh đạo phong trào cách mạng ở Nam Kỳ. Trong Thông tư số 7709-S của Chánh Liêm phóng P.Arnoux năm 1940 gửi Thống đốc Nam Kỳ, Tổng thanh tra Liêm phóng đã đề cập đến “… Lục soát khi chuyển Nguyễn Thị Minh Khai thì phát hiện được trong quần áo của thị có 2 tài liệu viết tay. Bản thứ nhất là lời kêu gọi binh sĩ, thợ thuyền và nông dân Đông Dương hãy đoàn kết lại để phát động cách mạng và đấu tranh để được giải phóng với sự ủng hộ của Liên Xô. Bản thứ 2 là một bức thư ký tên Hồ Thị Duc tù nhân chính trị gửi cho các đồng chí, có đoạn ý ngầm yêu cầu những người đọc hãy tăng cường tuyên truyền cộng sản. Việc bức thư này bị phát hiện trong tay Nguyễn Thị Minh Khai chứng tỏ rằng đối tượng này phải phụ trách liên lạc với bên ngoài nhà tù”.
Tòa án binh Sài Gòn ngày 25/3/1941 và 03/4/1941 đã kết án đồng chí 12 án: 2 án tử hình, 2 án chung thân, 2 án 20 năm tù, 1 án 15 năm tù, 5 án 5 năm tù. Trong phiên tòa của kẻ thù, chị không những không khuất phục mà còn dõng dạc tra vấn lại chúng: “Nước của tôi, cứu nước là có tội, cướp nước không có tội sao?”.
Nguyễn Thị Minh Khai đã tranh thủ thời gian cuối cùng của cuộc đời để làm ba việc quan trọng: Bí mật viết vào mảnh giấy nhỏ cuộn tròn trong điếu thuốc gửi tới người đồng chí, người bạn đời Lê Hồng Phong đang bị đày ở nhà tù Côn Đảo “Dù có chết, em hứa với anh, chung thủy với cách mạng, trung thành với Đảng. Em hứa mãi là người cộng sản kiên cường. Mong anh cũng vậy”. Cuối cùng, đồng chí đã tước vải quần áo tù, đan một chiếc vỏ gối gửi về tặng mẹ - là một chút lòng hiếu thảo, là lời xin lỗi vì đã không làm tròn bổn phận chăm sóc mẹ lúc mẹ già yếu và căn dặn các em “Gắng chí học tập nên người xứng đáng cho cha mẹ vui lòng”.
Ngày 28/8/1941, thực dân Pháp đưa đồng chí Nguyễn Thị Minh Khai và các đồng chí Hà Huy Tập, Nguyễn Văn Cừ… đi xử bắn tại Ngã ba Giồng, huyện Hóc Môn (Sài Gòn). Nguyễn Thị Minh Khai đã anh dũng hy sinh khi mới vừa tròn 31 mùa xuân, khi tuổi trẻ và chí khí cách mạng vẫn ngùn ngụt dâng trào.