Paloma Cecilia San Basilio Martínez, conocida como Paloma San Basilio, nació el 22 de noviembre de 1950 en el madrileño barrio de Chamberí, aunque sus primeros años transcurren entre Sevilla y Lugo. No volverá a Madrid hasta su adolescencia, para cursar sus estudios universitarios en Filosofía y Letras y tres años de la carrera de Psicología.
En 1971 debuta en el mundo del espectáculo cuando es elegida para presentar el programa de televisión 'Siempre es Domingo' y unos años más tarde, en 1975, graba su primer trabajo discográfico : 'Sombras'. El disco tiene muy buena acogida entre el público y en 1977 lanza su siguiente trabajo musical, 'Dónde Vas', con el que consolida su carrera como cantante y realiza su primera gira por Hispanoamérica.
Tras volver de esta gira, a finales de 1980 se le ofrece protagonizar la adaptación española del musical 'Evita' en el Teatro Monumental de Madrid, con el que se batieron todos los récords conocidos hasta entonces, permaneciendo en cartel durante dos años. La cantante y actriz combina su trabajo en la obra con la grabación de su siguiente disco, 'Ahora' (1981), en el que se incluye uno de los singles más exitosos de su carrera: 'Juntos'.
En 1985 fue elegida para representar a España en el Festival de Eurovisión con la canción 'La fiesta terminó '. El tema quedó en 14ª posición y dio título a su siguiente álbum. Durante los siguientes años la carrera de Paloma San Basilio vivió uno de sus momentos más prolíficos, combinando su faceta musical con la televisión y el teatro. En la década de los 80, aparte de su participación en el Festival de Eurovisión, uno de sus grandes hitos fue el concierto protagonizado junto a la banda chilena Quilapayún en el Anfiteatro Romano de Mérida : 'La Sinfonía de los Tres Tiempos de América' (1988).
En 1990 la cantante celebró sus 15 años en la música publicando dos álbumes : 'Nadie como tú' y 'Quiéreme siempre'. Además, el 3 de marzo de 1991 realiza un concierto junto al tenor Plácido Domingo en el Miami Arena al que asistieron más de 16.000 espectadores y que fue grabado en formato CD y vídeo, convirtiéndose en un gran éxito de ventas. En 1994 repetirá la experiencia con José Carreras en Bogotá con un éxito todavía mayor (20.000 espectadores).
El 12 de noviembre de 1997 realiza uno de sus trabajos más destacados en el ámbito de la interpretación al compartir cartel con José Sacristán en el musical 'El Hombre de la Mancha'. La producción se inició en el Teatro Lope de Vega de Madrid y se prolongaría hasta 1999, año en el que culminó en Barcelona y Argentina. En 2001 volverá a compartir escenario con José Sacristán en la versión española de 'My Fair Lady', que permanece en cartelera durante más de un año en el Teatro Coliseum de Madrid.
Gracias a todos estos trabajos Paloma San Basilio ha sido reconocida por la industria y por los críticos como la 'reina de los musicales', recibiendo por ello, junto a sus más de 30 discos publicados, numerosos galardones: el Premio Antorcha de Plata del Festival de Viña del Mar (en 1983 y 1986), el Premio a la Artista Internacional de la A.C.E. (en 1985 y 1989), el Premio Micrófono de Oro (2006) o el Grammy a la excelencia musical en 2006.
Paloma San Basilio también ha desarrollado su faceta como pintora con dos exposiciones en Sevilla (2012) y Madrid (2013), y como escritora de artículos en los diarios ABC y El Mundo. En 2014 publicó el libro de memorias ' La niña que bailaba bajo la lluvia '.
En el ámbito personal, estuvo casada con el atleta José Ignacio Gómez Pellico de 1972 a 1977, con el que tuvo a su única hija: Ivana Vanessa. Poco después de su divorcio inició una relación con el empresario Claudio Rey.