Надежда родилась в сентябре 1901 года в Баку, в семье рабочего-революционера Сергея Аллилуева. Девочка росла в окружении революционеров, хотя сама поначалу политикой не интересовалась. Семейное предание Аллилуевых гласит, что в двухлетнем возрасте Надежда, играя на бакинской набережной, упала в море. От гибели девочку спас смелый 23-летний молодой человек Иосиф Джугашвили. Спустя несколько лет Аллилуевы перебрались в Петербург. Надежда росла темпераментной и решительной девушкой. Ей было 16 лет, когда в их доме появился вернувшийся из сибирской ссылки Иосиф Сталин. Юная девушка без памяти влюбилась в революционера, который был старше ее на 21 год.

Воспоминания современников свидетельствуют — в этом браке действительно была любовь и сильные чувства. А, кроме того, был конфликт двух характеров. Опасения отца Надежды оправдались — погруженный в работу Сталин хотел видеть рядом с собой человека, который взял бы на себя заботу о семейном очаге. Надежда же стремилась к самореализации, и роль домохозяйки ее не устраивала.

7 ноября 1932 года на квартире у Ворошиловых после парада отмечали революционный праздник. Сцену, происшедшую там, описывали многие, и, как правило, с чужих слов. Жена Николая Бухарина, ссылаясь на слова мужа, в книге «Незабываемое», писала так: «Полупьяный Сталин бросал в лицо Надежде Сергеевне окурки и апельсиновые корки. Она, не выдержав такой грубости, поднялась и ушла до окончания банкета». В ночь на 9 ноября 1932 года Надежда Аллилуева покончила с собой, выстрелив себе в сердце из пистолета «Вальтер». Этот пистолет ей подарил брат, Павел Аллилуев, советский военный деятель, один из создателей Главного автобронетанкового управления Красной Армии.