王氏是安汉公、太傅、大司马王莽的女儿。元寿二年(公元前1年)，汉哀帝刘欣去世，汉哀帝的堂弟中山王刘衎继位，是为汉平帝。汉平帝继位时年仅九岁，由汉成帝的母亲太皇太后王政君临朝，王氏的父亲王莽秉持朝政。
元始三年(公元3年)春天，王莽想依照霍光以女配帝的旧例，将女儿王氏嫁给汉平帝为皇后，以此来加强自己的地位。他首先建议为汉平帝充实后宫;遴选开始后鉴于出自己女儿外还有诸多王氏女子入选，想排除这些竞争者，又故作谦辞，促使太皇太后将包括王莽女儿在内的王氏诸女全部淘汰，而自百姓至公卿大臣纷纷上言，极力推荐王莽的女儿王氏重新入选乃至直接当选皇后，太皇太后迫不得已而同意。王莽又建议广泛征选，而公卿大臣已经将王莽之女当作正统之选了。太后派遣长乐少府夏侯藩、宗正刘宏、少府宗伯王凤、尚书令平晏到王府下聘礼(纳采)，大臣们回奏，称赞王氏的品德和容貌;还派遣太师孔光、大司徒马宫、大司空甄丰、左将军孙建、执金吾尹赏、行太常事大中大夫刘歆以及太卜、太史令等四十九人赐皮冠素裳，行礼问卜，祭庙告祖，大臣们奏报占卜的结果是吉利的，于是等待吉日让王氏与汉平帝成婚。
元始四年(公元4年)二月，派大司徒马宫、大司空甄丰、左将军孙建、右将军甄邯、光禄大夫刘歆奉乘舆驾，到王莽府邸迎娶王氏。马宫和刘歆等呈上皇后印玺绶带，登车称为警跸，择吉日从上林苑延寿门，进入未央宫前殿。群臣就位行礼，大赦天下。加封王莽地满百里，赏赐迎接皇后王氏以及参加婚礼的群臣，从三公以下到驺宰执事及长乐宫、未央宫与王莽府中的人，都增加秩禄，赏赐金帛不等。
王氏成为皇后三个月后，前往太庙行告祖之礼。尊王莽为宰衡，位在各侯王之上。赐王莽妻子为功显君，有汤沐邑。封王莽的儿子王安为褒新侯，王临为赏都侯。
元始五年(公元5年)秋季，王莽因为王皇后有得子的祥瑞，修通了从杜陵到汉中的子午道。
元始五年十二月十六日(公元6年2月4日)，汉平帝去世，王莽立汉宣帝的玄孙刘婴为太子，号为孺子，王莽代摄帝位，尊王氏为皇太后。
居摄三年(公元8年)十一月，王莽改元初元，十二月又改元始建国，并以该月为始建国元年正月。正月初一，王莽篡位称帝，建立新朝，降封刘婴为定安公，皇太后王氏改称定安公太后。王氏时年十八岁(应为虚岁)，为人婉顺文静有节操。自从刘氏遭废以后，王氏经常称病不参加朝会，王莽对女儿敬惮伤哀，打算将她改嫁，于是又改王氏称号为黄皇室主，派立国将军、成新公孙建世子孙襐扮成医生前去看病调情。王氏大怒，鞭打左右侍御。因此发病，不肯起，王莽就再也不勉强她了。
地皇四年(公元23年)，绿林军攻入长安，诛杀王莽，火烧未央宫，王皇后叹息道：“何面目以见汉家!”自焚而死，享年三十三岁。
