Fatma Sultan 1840-cı ildə Çırağan sarayında dünyaya gəlmişdir. Atası Sultan Əbdülməcid, anası isə Gülcamal Qadınəfəndidir. Anasının vəfat etdiyi 1851-ci ildə sədrəzəm Mustafa Rəşid Paşanın oğlu Əli Qalib Paşa ilə nişanlandı. 3 il davam edən nişanlılığın sonunda Mustafa Rəşid Paşa vəzifədən alınmış, bu səbəblə nigahın ləğv olunması haqqında şaiyələr yayılmışdı. Qızının məyus olduğunu görən Sultan Əbdülməcidin əmriylə cütlük 2 avqust 1854 tarixində evləndirildi. Cütlüyün nigahı Hırka-i səadət otağında şeyxülislam Əhməd Arif Hikmət Əfəndi tərəfindən bağlandı. Əli Qalib Paşaya vəzirlik verildi.

Fatma Sultanın cehizi 2 gün boyunca Çırağan sarayında sərgiləndi. Yeni evli cütlük Sultan Əbdülməcidin hədiyyə etdiyi Baltalimanı sarayında məskunlaşdı. Sultan Əbdülməcid kürəkəninə brilyant üzük və inci təsbeh hədiyyə etdi. Lakin Fatma Sultan bu evlilikdə xoşbəxt ola bilmədi. Belə ki, cütlüyün Cəmilə adlı ilk övladları bir neçə gün sonra vəfat etmişdi. Bu acı itkinin ardından 1857-ci ildə Fatma Sultan və əri ağır xəstəliyə düçar oldu və uzun müddət davam edən müalicənin ardından sağaldılar. 1858-ci ilin sentyabrında baş verən dəniz qəzasında əri Əli Qalib Paşa boğularaq ölmüş, cəsədi bir neçə gün sonra Beykoz sahillərində tapılmışdır. Ərinin məzarı eyni ildə vəfat edən atasının türbəsinə dəfn edildi.

Gənc yaşda həm övladının, həm də ərinin acısını çəkən Fatma Sultan atasının istəyilə ikinci dəfə evləndirildi. Bu dəfəki əri isə dövlət adamlarından Arif Paşanın oğlu Mehmed Nuri bəy oldu. Bu evlilikdən Mehmed Fuad bəy və Əminə Lütfiyə adlı 2 övladı oldu. Ancaq qızı 2 yaşında, oğlu isə 3 yaşında vəfat etmişdi.

Qardaşı Sultan Muradın taxta çıxmasıyla sevincli günləri başlasa da, çox çəkmədi. Sultan Əbdülhəmidin taxta çıxmasının ardından, əri Nuri Paşa Sultan Əbdüləzizin qətlində təqsirləndirildi və Taifə sürgün edildi. Bu səbəblə 1881-ci ildə Sultan Əbdülhəmidin istəyilə ərindən boşandı. Bundan sonrakı həyatını Baltalimanı sarayında nəzarət altında yaşayan Fatma Sultan 1884-cü ildə vəfat etdi. Cənazəsi Yeni məsciddəki Validə Turhan Sultan türbəsində dəfn edilmişdir.