Khánh Linh tên thật là Phạm Khánh Linh, là con gái trong một gia đình có truyền thống âm nhạc. Bố là nghệ sĩ đàn bầu Phạm Ngọc Hướng (Nhà hát ca múa nhạc Việt Nam), mẹ là ca sĩ, nghệ sĩ ưu tú Vũ Dậu (Nhà hát nhạc nhẹ Trung ương), anh trai là nhạc sĩ Ngọc Châu.

Năm bốn tuổi, cô học đàn và được tuyển thẳng vào hệ sơ cấp khoa piano Nhạc viện Hà Nội. Nhưng sau đó cô chuyển sang khoa thanh nhạc và được sự chỉ bảo, hướng dẫn của Nghệ sĩ nhân dân Quang Thọ. Khánh Linh rất mê nhạc nhẹ mặc dù theo học khoa opera. Cô được biết tới sớm với ca khúc Cô Tấm ngày nay của anh trai Ngọc Châu (nhạc phim Chuyện nhà Mộc).

Năm 2003, cô tham dự cuộc thi Tiếng hát truyền hình Sao Mai 2003 và giành được giải 3 đồng giải với bạn cô, ca sĩ Ngọc Khuê.

Năm 2004, cô cho ra album đầu tay Họa mi hót trong mưa với những sáng tác của Dương Thụ, Ngọc Châu như: Cô tấm ngày nay, Tháng tư về, Họa mi hót trong mưa... Cô tham gia liên hoan các ca khúc pop-rock quốc tế năm 2004 tại Mông Cổ và giành được giải 3 (với ca khúc Một thoáng Tây Hồ của Phó Đức Phương). Cô còn tham gia chương trình Nhật thực 2 và Nhật thực toàn phần của nhạc sĩ Ngọc Đại, cùng với bạn thân là ca sĩ Tùng Dương trong album Nhật thực 2 gồm 7 ca khúc của Ngọc Đại (Đỗ Bảo phối khí).

Năm 2005, Khánh Linh hát ca khúc Điều hoang đường nhất trong album đầu tay Cánh cung của nhạc sĩ Đỗ Bảo. Ngoài ra, cô còn nổi tiếng với ca khúc Giấc mơ trưa, được hát trong chương trình Bài hát Việt. Khánh Linh dự định ra 1 album chung với Tùng Dương nhưng không thực hiện được. Khánh Linh lấy chồng vào cuối năm, là một nhân viên của một công ty hàng hải.

Năm 2006, cô cho ra mắt album thứ hai Ban mai xanh ngay sau khi sinh con trai đầu lòng - bé Anh Khoa. Album gồm có các sáng tác được yêu thích của Ngọc Châu, Huy Tuấn, Đỗ Bảo, Hồng Kiên, Vũ Văn Hà... như Ban mai xanh, Mùa cây trổ lá, Giấc mơ trưa, Dù anh không đến...

Năm 2007, cô xuất hiện trong album Giáng Son của nữ nhạc sĩ Giáng Son (với 2 ca khúc Giấc mơ trưa và Phố khuya). Vào tháng 11, cô cho ra mắt album thứ 3 mang tên Sau cơn mưa. Album do nhạc sĩ Lê Minh Sơn biên tập, gồm có các sáng tác của Lê Minh Sơn, Dương Thụ, Nguyễn Vĩnh Tiến... Cô đoạt giải Ca sĩ thể hiện hiệu quả trong chương trình Bài hát Việt tháng 10 với ca khúc Mưa phùn do Lê Minh Sơn sáng tác và đệm guitar.

Khánh Linh được biết tới với những ca khúc nhạc phim: Cô tấm ngày nay (phim Chuyện nhà Mộc), Ban mai xanh (phim cùng tên), Tình xa (phim cùng tên), Vòng xoáy tình yêu (phim cùng tên), Lời thề cỏ non (phim cùng tên)...