Gina Lombroso nasce a Pavia nel 1872 da Nina De Benedetti e Cesare Lombroso. Appartenente ad un’alta e colta borghesia legata alle tradizioni ebraiche, la famiglia Lombroso gravita intorno alla figura del padre Cesare, il celebre antropologo e fondatore della criminologia. Fin dalla prima adolescenza Gina partecipa al lavoro scientifico del padre in veste di segretaria e collaboratrice, seguendone la corrispondenza e affiancandolo nel lavoro redazionale della sua celebre rivista, l'«Archivio di psichiatria», fondato nel 1880.
E' del 1895 l'incontro con Anna Kuliscioff, allora ospite frequente del salotto di casa Lombroso. Sotto la sua influenza, in quegli anni Gina si avvicina agli ideali socialisti che si concretizzano anche in alcuni studi "militanti" svolti insieme alla sorella Paola su temi quali le condizione di vita degli operai, il problema dell’analfabetismo e i fattori di successo degli scioperi. Allo stesso periodo risale la collaborazione alle riviste «Critica sociale» e «Il socialismo».
Sempre nel 1895 Gina si laurea in lettere presso l'Università di Torino, iscrivendosi successivamente alla Facoltà di medicina. Pubblica in quegli anni alcuni saggi, tra i quali L'atavismo nel delitto e l'origine della specie (1899). Conclude gli studi di medicina a pieni voti nel 1901, discutendo una tesi dal titolo I vantaggi della degenerazione di fronte ad una commissione che includeva l'igienista Luigi Pagliani e il fisiologo Angelo Mosso. L'argomento della tesi di laurea, estremamente rilevante per il dibattito scientifico della seconda metà dell'Ottocento, viene approfondito in un volume dallo stesso titolo pubblicato nel 1904, in cui la Lombroso affronta il tema della "degenerazione" in modo originale, sposando l'ottica biologica con una prospettiva sociologica. I caratteri della degenerazione vengono letti non tanto come un progressivo deterioramento dell'umanità, quanto piuttosto come la capacità di adattamento dell'uomo alle conseguenze dell'industrializzazione, prestando quindi particolare attenzione alla relazione uomo/ambiente.
Dopo la laurea in medicina, prosegue la sua attività di ricerca rivestendo il ruolo di assistente volontaria nella clinica psichiatrica dell'Università di Torino;  incarico che porta avanti fino ai primi anni del matrimonio avvenuto nel 1901 con Guglielmo Ferrero, allora collaboratore di Cesare Lombroso con cui aveva scritto nel 1893 la monografia La donna delinquente, la prostituta, la donna normale. Svolge in questo periodo studi clinici su pazzia morale, epilessia e criminalità. Continua inoltre un'intensa collaborazione con la rivista del padre.
Nel 1907 segue il marito in un viaggio in Sud America, visitando carceri, scuole e manicomi: dà alle stampe le sue riflessioni di viaggio l'anno successivo nel testo Nell'America Meridionale (Brasile-Uruguay-Argentina). Anche grazie alla sua conoscenza delle lingue, Gina è in stretto contatto con l'ambiente scientifico italiano ed internazionale.
Alla morte di Cesare nel 1909, si dedica alla risistemazione e ripubblicazione delle opere paterne, nell'intento di mantenerne vivo il pensiero nella comunità accademica.
Nel 1916 lascia Torino e si trasferisce con la famiglia a Firenze, dove la sua casa diviene sede di incontri e scambi con l'ambiente intellettuale cittadino. Tra i frequentatori assidui della casa Lombroso-Ferrero i Salvemini e i Rosselli.
A Firenze ella si dedica allo studio della condizione femminile, teorizzando l'"alterocentrismo" della donna, cioè un innato altruismo fondato biologicamente e legato alla "missione" della maternità. Nei suoi numerosi scritti su tale argomento, la Lombroso intende negare l'inferiorità femminile imperante all'epoca in nome di una forte differenziazione dei sessi, che dovevano essere concepiti non in un rapporto gerarchico bensì in un rapporto di "complementarità". Nel 1917 pubblica L'anima della donna, che ha diverse traduzioni e ristampe in Italia e all'estero; nello stesso anno fonda con Amalia Rosselli e Olga Monsani l’Associazione divulgatrice donne italiane (ADDI) con l’intento di «indurre la donna italiana a prender parte allo sviluppo scientifico, sociale, politico, filosofico del paese» [Dolza, 1990, p.175]
A seguito delle persecuzioni politiche da parte del regime, nel 1930 Gina si trasferisce col marito Guglielmo Ferrero a Ginevra, rimanendo in contatto con l’ambiente antifascista. Durante l'esilio approfondisce la problematica del rapporto uomo-macchina, affrontando gli sviluppi della nuova epoca industriale in una prospettiva sociologica. In Le tragedie del progresso (1930) e Le retour à la prosperité (1933), di fronte alle profonde trasformazioni introdotte dall'industrializzazione, viene messa in discussione la fiducia positivista in un progresso indefinito.
Gli anni a Ginevra vedono la morte del figlio Leo Ferrero (1903-1933), giovane poeta ed intellettuale. Gina Lombroso morirà nel 1944, due anni dopo il marito, assistita dalla sorella Paola che l'aveva raggiunta nella città svizzera.

Il nome di Gina Lombroso ha visibilità scientifica a partire dagli ultimi decenni dell'Ottocento. La sua opera di collaborazione al lavoro del padre come segretaria ed assistente la porta a ricoprire, già dalla prima adolescenza, il ruolo di intermediaria tra Cesare Lombroso e la cultura scientifica italiana, diventando interlocutrice riconosciuta di scienziati ed intellettuali. L’intensa attività pubblicistica sull'«Archivio di psichiatria», contrassegnata da numerosissime recensioni ed articoli, la porta negli anni ad essere sempre più autonoma nel suo lavoro.
Le pubblicazioni e la partecipazione diretta alla vita culturale e politica del suo tempo la rendono figura di rilievo nell'ambiente intellettuale italiano ed internazionale della prima metà del Novecento. Negli anni Venti e Trenta del secolo soprattutto i suoi studi sulla condizione femminile le danno grande notorietà in Italia come all'estero. Gli scritti sull'«anima della donna» vengono tradotti in Europa (Germania, Francia, Inghilterra, Spagna, Svezia, Olanda, Danimarca, Romania, Ungheria, Polonia) così come negli Stati Uniti e in Giappone.

In una lettera dal carcere indirizzata alla madre nel 1898 Filippo Turati scrive di Gina: «La Ginetta, che diventa più scarabocchiona che mai, ... mi manda un cicaleccio di notiziole; e sì che, dacché ha ripreso l'Università, ha molto da fare, e "non scrive più che ai condannati"..», e la definisce, insieme alla sorella Paola, «le Lombrosine» [Kuliscioff, Turati, 1977, p. 203].
Presentata polemicamente dalla rivista «Civiltà cattolica» come «un'amazzone della scienza antropologica», la Lombroso viene considerata un personaggio che rischia di aprire una strada poco gradita alla chiesa. L’«antropologhessa torinese» potrebbe condurre «dietro a sè una schiera di altre gloriose eroine, pronte a combattere le nuove battaglie a difesa della degenerazione, della delinquenza, e... del genio». Recensendo nel 1905 il suo libro I vantaggi della degenerazione, «Civiltà cattolica» la attacca senza riserve: «forse è la prima volta che la penna di una donna gentile ... tratta con tanta disinvoltura dottrine, oltrechè assurde, così fredde  e così funeste agli infelici» [Babini, 2006, p. 213]. Lo psichiatra Enrico Morselli, nella sua recensione allo stesso testo, la chiamerà «distintissima scrittrice torinese» [Babini, 2007, p.93]

Nel 1893 il padre Cesare la definisce, proprio nella prefazione a La donna delinquente, la prostituta, la donna normale, «la collaboratrice e l’ispiratrice più salda, più feconda» di ogni suo lavoro [Lombroso, Ferrero, 1893, p. XI].
Così, nel dicembre del ‘35, Guglielmo Ferrero ricorderà la moglie nella prefazione a Gli ultimi barbari. Liberazione: «Ricordi quella sera dell’aprile del 1889, in cui venni per la prima volta nella casa dei tuoi, in Corso Oporto, a Torino? ... Mi volto oggi e guardo laggiù, nella valle del tempo ... La nostra vita è stata uno sforzo comune, tu lavorando nel tuo settore ed io nel mio, per trasformare, chiarire e precisare questi confusi sentimenti, per estrarne delle certezze che potessero aiutare noi e gli altri a vedere più chiaro nei nostri tempi» [citato in Babini, 2007, p.104].