Als quinze anys, abandona a la seva família, per fer arranjaments per a un cantant folk i tocar en els bars de la Costa Oest. A Nova York, coneix a Paul Bley i es casa amb ell, començant a compondre per a ell i per a molts altres músics: Jimmy Giuffre, George Russell, Art Farmer… Carla continua compaginant la música amb altres activitats fins a 1964, any en què s’adhereix a la Jazz Composer’s Guild.

El 1965, juntament amb Michael Mantler, forma la Jazz Composer’s Orchestra i viatja per Europa, on coneix a Peter Brötzman, formant amb ell, Mantler i Steve Lacy un quintet, que obté gran reconeixement. Després de separar-se de Paul Bley, es casa amb Mantler, i emprèn la seva obra més rellevant, Escalator over the hill , sobre un llibret de Paul Hines, que es grava en col·laboració amb Charlie Haden i la Liberation Music Orchestra.

Després treballa amb la Vienna Art Orchestra, el pianista Larry Willis, el contrabaixista Steve Swallow i el  guitarrista Jack Bruce per a qui compon la miniòpera, Under the Volcano.

Tant com a compositora, com a instrumentista, Carla Bley ha anat evolucionant, de vegades amb bruscos girs en les seves concepcions, des del Free a la Fusió d’estils pròpia de les seves últimes obres, i un cert tipus de música europea contemporània, sense perdre mai l’evident influència de Kurt Weill. En els anys vuitanta comença a electrificar la seva música, prescindint de metalls i introduint sintetitzadors i guitarres amplificades.

Especialment, és ressenyable el seu paper de direcció, actuant com a catalitzadora de les idees col·lectives i impulsant a un gran nombre de joves talents.