Sie war die ältere, gleichermaßen musikalisch hochbegabte Schwester des Komponisten Felix Mendelssohn Bartholdy (1809-1847). Sie wurde mit ihrem Bruder 1816 in der Neuen Kirche zu Berlin evangelisch getauft und änderte ihren zweiten Namen in Cäcilie.

Zunächst unterrichtete ihre Mutter sie im Klavierspiel. Dann studierte sie eine kurze Zeit in Paris und erhielt ab 1819 zusammen mit ihrem Bruder Felix Kompositions- und Tonsatzunterricht bei Carl Friedrich Zelter, dem Leiter der Berliner Singakademie. Anders als ihrem Bruder Felix wurde es ihr aber aus Gründen der gesellschaftlichen Konvention nicht gestattet, aus ihrem pianistischen und kompositorischen Talent einen Beruf zu machen. Sie trat aber regelmäßig im privaten Kreis auf. Ab 1823 veranstaltete die Familie Mendelssohn die bald sehr berühmten "Sonntagsmusiken". Dort wurden im privaten Rahmen - manchmal betrug die Anzahl der Gäste jedoch fast 200 - Werke alter und zeitgenössicher Meister sowie die Werke Felix´ aufgeführt. Im Jahre 1831, nach dem Weggang ihres Bruders, übernahm Fanny Hensel vollständig die Programmgestaltung sowie die Chor- und Orchesterleitung. 1829 heiratete sie Wilhelm Hensel, einen berühmten Hofmaler an der Akademie der Künste zu Berlin. 1847 erlitt sie während einer Probe zu den Sonntagsmusiken einen Schlaganfall.

Der Schwerpunkt ihres Oeuvres von über 470 Werken liegt auf den Sololiedern für Singstimme und Klavier, von denen sie etwa 250 verfasste. Nur ein Bruchteil dieser Literatur wurde bisher veröffentlicht. Einige wenige erschienen unter dem Namen ihres Bruders. Erst kurz vor Lebensende fasste sie den Entschluss, einige Werke zu veröffentlichen. Unter den gesamten Werken finden sich außerdem anspruchsvolle Klavierwerke, Übungsstücke, Chöre, christliche Kantatenkompositionen, szenische Werke und Orchestermusik. Die Motette „Zu Ehren der Heiligen Cäcilie“ für Solisten, Chor und Klavier wurde 1833 geschrieben und aufgeführt.