Née le 29 octobre 1930 dans une famille atypique composée d'un joueur de base-ball noir et d'une bourgeoise blanche, déshéritée pour avoir épousé un Noir, Omara Portuondo a grandi dans un petit appartement du centre de La Havane (Cuba).
À 15 ans, elle danse dans le corps de ballet du cabaret Tropicana et forme avec son cavalier Rolando Espinosa l'un des meilleurs couples de danseurs de Cuba. La jeune Omara Portuondo écoute Ella Fitzgerald, Sarah Vaughan, et crée avec quelques amis un mouvement musical inspiré du jazz, le feeling (prononcé filin en espagnol). En 1952, elle forme avec Elena Burke et Moraima Secada, le Cuarteto Las d'Aida, quatuor féminin au sein duquel elle évolue 15 ans durant.
Après la révolution cubaine de 1959, la plupart des chanteuses émigrent aux États-Unis, mais elle choisit de rester, alors que sort son premier album, Magia Negra.
En 1995, sa rencontre avec Manuel Dominguez, du label Nubenegra, lui permet de sortir du carcan socialiste et de retrouver son feeling dans l'album Palabras.
En 1996, Ry Cooder, qui la surnomme la « Billie Holiday de Cuba », lui offre une place de choix au sein du Buena Vista Social Club. Suite au succès de ce disque (et notamment du duo avec Compay Segundo dans le boléro « Veinte Años ») et du film, le disque Buena Vista Social Club Presents...Omara Portuondo paraît en 2000.
Loin de prendre sa retraite, la chanteuse continue d'enregistrer des albums à intervalles réguliers. En 2008 sort un album réalisé en duo avec la Brésilienne Maria Bethânia et un autre en solo, Gracias. Au printemps 2011, la Cubaine revient avec un partenaire de longue date, le pianiste Chucho Valdès, dans le reueil exceptionnel Omara & Chucho. En 2014, à 84 ans, elle décide de réenregistrer son premier album (Magia Negra - The Beginning) et de partir en tournée avec le pianiste et chanteur Roberto Fonseca.
