胡蘭畦才貌雙全，據說，四川軍閻楊森曾想娶她做小老婆，被她斷然拒絕。作家茅盾聞聽胡蘭畦的故事后，寫出了他的第一部長篇小說《虹》。

1922年，從法國勤工儉學回來的陳毅擔任重慶《新蜀報》的主筆，并寫出了大量思想激進的詩文。胡蘭畦就是受到他的文章鼓舞的青年中的一個。她直接到報館尋找陳毅，從此二人成了親密的朋友。

1927年，她投考武漢中央軍事政治學校，被錄取編入女生隊。

1927年2月，武漢中央軍事政治學校正式開學，陳毅也被派到學校任中共黨團書記。胡蘭畦與陳毅在軍校重逢。

據考證，胡蘭畦來到武漢前后，曾與川軍青年軍官陳夢云有過一段婚姻。

1933年春，大批共產黨員和進步人士被捕，胡蘭畦也被關入女牢。在宋慶齡和魯迅等人的抗議下，胡蘭畦于三個月后獲釋。隨后，她在法國發表了回憶錄《在德國女牢中》，文章立即被譯成俄、英、德、西四種文字，使胡蘭畦的名聲傳遍了歐洲。

全面抗戰爆發后，胡蘭畦組建了上海勞動婦女戰地服務團，并輾轉于八個省的抗日前線從事抗戰宣傳。由于影響甚大，胡蘭畦被國民政府軍委會任命為少將指導員。

1938年初，胡蘭畦率領服務團來到南昌。此時，項英、陳毅等人也在南昌組建新四軍。自大革命失敗后，胡蘭畦與陳毅已經有十年沒見面了，久別重逢，兩人的喜悅之情難以言表。胡蘭畦講述了這些年的經歷，也提到了與陳夢云離婚的情況。

對于兩人的戀情，《民國大腕》這樣描述：“陳毅在南昌與胡蘭畦欲訂白首之盟，組織上卻不同意，說二人倘若結婚，胡的黨員身份就暴露了，二人只得痛哭而別。陳毅曾致信胡蘭畦為了革命，我們就吃下這杯苦酒吧！假如我們三年內不能結合，就各人自由，互不干涉。”\'

在三年多時間里，胡蘭畦率領服務團的姑娘們，足跡遍及上海、江蘇、安徽、浙江、江西、湖南、湖北、河南等各個戰場，行程兩萬多里，被譽為“戰地之花”“當代花木蘭”。

1947年6月，國民黨的報紙用觸目驚心的大幅標題刊登“陳毅陣亡”，還用大幅版面詳細描述“陳毅追悼會”的經過。胡蘭畦得知后十分傷感。后來她接到陳毅父母來信，便決心贍養二老，她把成都東門外的一處果園、田地和房屋，準備給二老做養老之用。

1949年，上海解放，陳毅當了市長。胡蘭畦寫信要見他，接待她的卻是副市長潘漢年，這時，陳毅已兒女成群了。

胡蘭畦再沒有婚育，為解寂寞，她收養了妹妹的女兒。解放后，她被安排到北京工業學院從事后勤工作。命運多舛的她在“文革”中被錯劃為右派。1978年平反后，胡蘭畦重新入黨，并成為全國政協委員。

1994年12月13日，胡蘭畦在成都逝世，享年九十三歲。她的一生歷經坎坷，正如她自己在回憶錄里所說：“這輩子只知道趕著時代大潮走，在浪尖上奔呀、跑呀，有時被礁石碰得頭破血流，也只能獨自舔著流血的傷口。”