Barbara Pompili est née le 13 juin 1975 à Bois-Bernard (Pas-de-Calais), elle passe son enfance à Liévin, dans le Pas-de-Calais. Elle est diplômée de l’institut d’études politiques de Lille et réside à Amiens depuis 2006.
Elle adhère au parti politique Les Verts en 2000.
Elle est chargée des relations avec la presse pendant la campagne présidentielle de 2002 de Noël Mamère. Durant les cinq années suivantes, elle travaille avec le député Yves Cochet en tant qu’assistante parlementaire, fonction qu’elle définit comme son métier. Elle le soutient lors de la primaire présidentielle écologiste française de 2006.
Barbara Pompili se présente aux élections législatives de 2007 face à Jean-François Lamour (UMP) dans la 13e circonscription de Paris où elle recueille 2,29% des suffrages exprimés. Alors qu’Yves Cochet fait campagne contre Marielle de Sarnez (Modem)dans la 11e circonscription de Paris, elle signe « le manifeste pour la refondation de l’écologie politique », un appel lancé par Daniel Cohn-Bendit qui envisage une alliance avec le Modem.
De 2007 à 2012, elle est secrétaire générale adjointe du groupe de la Gauche démocrate et républicaine (GDR) à l’Assemblée nationale. Elle est élue députée le 17 juin 2012 dans la deuxième circonscription de la Somme. Le 20 juin 2012, elle est désignée coprésidente du groupe écologiste à l’Assemblée nationale, partageant cette fonction avec François de Rugy, bien que cette possibilité ne soit pas offerte par le règlement de l’Assemblée nationale. Début janvier 2013, elle devient officiellement la présidente du groupe.
Elle devient la première femme à occuper la présidence d’un groupe parlementaire à l’Assemblée. Elle est membre de la commission des Affaires culturelles et de l’Éducation, de la délégation aux droits des femmes et à l’égalité des chances entre les hommes et les femmes et du groupe d’études sur l’intégration des personnes handicapées, dont elle assure la présidence. Elle siège également au sein du groupe d’amitié « France-Madagascar », ainsi qu’au sein de deux organismes extra-parlementaires, la commission nationale pour l’autonomie des jeunes et la commission supérieure des sites, perspectives et paysages. Dès son élection comme députée en 2012, Barbara Pompili affirme être en faveur d’une alliance parlementaire et gouvernementale avec le PS.
Le 11 février 2016, Barbara Pompili est nommée secrétaire d’État chargée de la Biodiversité, auprès de la ministre de l’Environnement, de l’Énergie et de la Mer, Ségolène Royal, dans le gouvernement de Manuel Valls. Elle fait adopter définitivement la loi pour la reconquête de la biodiversité, de la nature et des paysages en juillet 2016. Le texte comprend notamment la création de l’Agence française pour la biodiversité, la précision de la séquence « éviter – réduire – compenser » les atteintes à la biodiversité, et instaure un régime de réparation du préjudice écologique, sécurisant la jurisprudence « Erika » en l’inscrivant dans le code civil. Cette loi contient également des dispositifs de lutte contre les espèces exotiques envahissantes, l’interdiction des pesticides contenant des néonicotinoïdes et autorise la ratification du protocole de Nagoya pour combattre la biopiraterie.
En mars 2016, dans le cadre des débats sur le projet de loi, elle doit retirer un amendement du gouvernement sur le préjudice écologique, suite à l’accusation de plusieurs acteurs de l’environnement comme Arnaud Gossement et Delphine Batho de constituer une régression inédite du droit de l’environnement et d’avoir été inspiré par les lobbys.
Pendant la primaire citoyenne de 2017, elle soutient François de Rugy. Benoît Hamon l’emporte et François de Rugy rejoint par la suite Emmanuel Macron. Le 21 mars, Barbara Pompili fait de même, devenant la première membre du gouvernement à soutenir le candidat En marche !.
Elle reçoit d’ailleurs le 11 mai 2017 l’investiture du mouvement d’Emmanuel Macron dans la 2e circonscription de la Somme lors des élections législatives de 2017. Elle l’emporte.
Pressentie comme candidate à la présidence de l’Assemblée nationale, elle se range finalement derrière François de Rugy et prend la présidence de la commission du Développement durable et de l’Aménagement du territoire