Nata a Pesaro il 1° Febbraio 1922, ha studiato pianoforte al Conservatorio di Parma e successivamente canto con il Maestro Campogalliani. Al Liceo "Gioacchino Rossini "di Pesaro ha proseguito i corsi di canto con il celebre soprano Carmen Melis.
Nel 1944 debutta a Rovigo nel ruolo di Elena nel Mefistofele di Arrigo Boito. Nel 1946 partecipa al concerto di riapertura della Scala di Milano, sotto la direzione di Arturo Toscanini, cantando nella Preghiera del Mosè in Egitto di Rossini e
nell'assolo del Te Deum di Giuseppe Verdi. In questa stessa occasione Arturo Toscanini definisce la voce della Tebaldi "voce d'angelo".
Renata Tebaldi possedeva uno strumento di prodigiosa bellezza e morbidezza, da autentico soprano lirico spinto, governato da una tecnica che le consentiva una perfetta omogeneità fra i registri, un esemplare legato e spettacolari "messe di voce", capaci di passare da aerei pianissimi a torrenti di suono. Dotata di presenza scenica di assoluto prestigio e di un temperamento lirico, portato all'abbandono sentimentale più che all'espressione tragica, riusciva a raggiungere esiti interpretativi perfettamente compiuti, grazie alla ispirata nobiltà del fraseggio e ad una sensibilità musicale e stilistica di alto rilievo.
Nel tradizionale repertorio del tardo Verdi (Aida, Otello, Falstaff), nel Puccini particolarmente a Lei congeniale (La Bohème e Tosca, Manon Lescaut), in Adriana Lecouvreur di Cilea, in Andrea Chénier e Fedora di Giordano, la Tebaldi seppe sfoggiare con calzante intuito espressivo una prodigiosa ricchezza di colori vocali, e un superbo stile di canto, alieno dall'estroversione plateale dei soprani veristi, e improntato a un gusto di classica purezza (basti ascoltare il suo mirabile "Vissi d'arte" da Tosca).
Nella prima parte della carriera ha affrontato non solo opere di Wagner in lingua italiana (celebratissime la sua Elsa del Lohengrin e la sua Elisabetta del Tannhauser) e di Mozart (Le Nozze di Figaro in particolare), ma anche storiche riprese di lavori di Haendel (Giulio Cesare), Spontini (Olimpia e Fernando Cortez), Rossini (L'assedio di Corinto e il Guglielmo Tell) e del primo Verdi (Giovanna D'Arco).
Diede memorabile prova anche in ruoli drammatici, a costo di forzare il suo innato temperamento lirico: tra esse, oltre alle già citate Tosca ed Aida, ricordiamo Leonora in La forza del destino (in cui debuttò a Firenze nel 1953 sotto la direzione di Dimitri Mitropoulos) e la Wally di Catalani alla Scala, Minnie in La fanciulla del west di Puccini, incisa in disco nel 1958 per la Decca, ma affrontata sulle scene solo nel 1970 al Metropolitan di N.York.
Per la Decca, sotto la direzione di Georg Solti, con Carlo Bergonzi incide il Don Carlo, e in seguito Un ballo in maschera, nel 1970 a fianco di Luciano Pavarotti.
Il debutto americano avvenne con Aida alla San Francisco Opera nel 1950, e solo il 31 gennaio 1955 si presentò al Metropolitan di New York, trionfando come Desdemona nell'Otello a fianco di Mario Del Monaco (suo abituale partner nelle incisioni discografiche). Le sue apparizioni al Metropolitan, diventata la sua sede principale a seguito della temporanea rottura con il Teatro alla Scala, si susseguirono per anni con grande regolarità; tra le sue interpretazioni, Bohème, Madama Butterfly, Tosca, Manon Lescaut, e La Traviata.
Quando, nel 1959, rientra al Teatro alla Scala di Milano dopo quattro anni di assenza, con Andrea Chenier e Tosca: in quest'ultimo ruolo riscuote quaranta minuti di applausi a fianco di Giuseppe Di Stefano e Tito Gobbi.
Con un trionfale concerto il 23 Maggio 1976 alla Scala dà il definitivo addio alle scene.
Renata Tebaldi è deceduta a San Marino il 19 dicembre 2004 ed è sepolta nella cappella di famiglia nel cimitero di Mattaleto di Langhirano - provincia di Parma.