Née sous le nom de Walter, Wendy Carlos commence à apprendre le piano à six ans. Très rapidement intéressée par les sciences, elle réalise elle-même un système hi-fi pour ses parents et à 14 ans remporte un concours scientifique pour sa fabrication maison d’un ordinateur. Par la suite, elle obtient un double diplôme en musique et en physique à Brown University, puis un master en composition de Columbia University où elle étudie dans le premier centre de musique électronique avec les pionniers Otto Luening et Vladimir Ussachevsky. Elle travaille ensuite en tant qu’ingénieur du son et rencontre Robert Moog alors qu’il vient présenter son synthétiseur modulaire au congrès de l’Audio Engineering Society.

Robert Moog, qui avait requis les conseils de la compositrice sur les bancs de filtre et les curseurs de commande, lui commande son premier album, Switched-on Bach dans le but d’illustrer les capacités du synthétiseur et le populariser. Wendy Carlos choisit d’adapter Bach, par affinité personnelle et en raison de la construction de la musique qui se prête à une transcription sur synthétiseur : les pièces sont reproduites notes à notes et instrument par instrument. Le choix de Bach se justifie en partie par le fait que ses pièces sont connues de tous, permettant ainsi à chacun de mesurer l’apport de la musique électronique. En 1992, elle reprend le procédé en l’appliquant à des tempéraments inégaux, avec Switched-on Bach 2000 afin de permettre au public d’apprécier l’évolution du synthétiseur 25 ans après son premier succès. Switched-on Bach se vend à un million d’exemplaires et reçoit trois Grammys ; il est le premier album de musique classique à obtenir un disque de platine aux États-Unis.

Le second album de Wendy Carlos, The Well-tempered Synthesizer (1969), reprend des pièces de Monteverdi, Haendel et Scarlatti, en plus de Bach. Il reçoit les louanges du pianiste Glenn Gould, qui classe son interprétation des Concertos brandebourgeois parmi les meilleures. Wendy Carlos compose par la suite ce qui peut être considéré comme l’un des premiers albums d’ambient, Sonic Seasonings (1972), trois ans avant Discreet Music de Brian Eno. Ses premières œuvres sont rééditées sous le nom de Wendy Carlos à partir de 1979.

Ses deux premiers albums la font remarquer par Stanley Kubrick, qui lui fera reprendre son procédé pour adapter Beethoven et Purcell pour la bande originale de Orange mécanique (1971), qui marque aussi l’une des premières utilisations du vocodeur. Le réalisateur n’utilisera cependant que deux morceaux composés par Wendy Carlos pour The Shining (1980). Elle est ensuite engagée pour composer la bande originale de Tron (1982) où elle mélange orchestre symphonique et synthétiseurs analogue et numérique. Deux ans plus tard, dans Digital Moonscapes, elle constitue une réplique numérique des timbres orchestraux, baptisée LSI Philharmonic Orchestra, qu’elle réutilisera en 1988 dans sa reprise humoristique de Pierre et le Loup en collaboration avec Weird Al Yankovic.

Entre 1992 et 1995, elle travaille avec Larry Fast à l’élaboration d’un procédé de restauration numérique et de conversion stéréo appelé Digi-Surround Stereo Sound. Elle est membre de l’Audio Engineering Society, de la Society of Motion Picture and Television Engineers et de la National Academy of Recording Arts and Sciences. Elle a été consultante pour le développement de Macintosh. En avril 2005, Wendy Carlos reçoit le SEAMUS Life Achievement Award en reconnaissance de son apport à la musique électroacoustique depuis les années 1960.