Надя родилась в Баку - в семье Сергея Яковлевича Аллилуева. Она была младшим ребенком. У неё были два брата - Павел и Федор, а также сестра Анна. Глава семьи - из воронежских крестьян, его бабка была цыганкой. По словам Светланы Аллилуевой, от цыган пошли у всех Аллилуевых южный, экзотический облик, черные глаза, ослепительные зубы и смуглая кожа, худощавость. Отец Нади освоил слесарное дело и работал в железнодорожных мастерских Закавказья. Жил он и в Тбилиси, и в Баку, и в Батуми. Стал членом РСДРП в 1898 году. В 1900-х годах семья переехала в Петербург. С. Аллилуев работал мастером в Обществе электрического освещения и неплохо зарабатывал.
Сергей Яковлевич был высоким, всегда аккуратно одетым человеком, носил бородку клинышком и седые усы. По характеру отец Нади был обходителен, приветлив, ладил с людьми. В Петербурге семья жила в четырехкомнатной квартире. Все дети учились в гимназии.
Сергей Аллилуев женился на 14-летней Ольге Федоренко. Ее отец вырос и жил в Грузии. Мать Сергея была грузинкой. А его отец был женат на немке, из семьи колонистов. Молодая жена Сергея Аллилуева свободно говорила по-немецки и по-грузински.
Сталин знал рабочего Аллилуева с конца 90-х годов. Встречался с ним в Тифлисе и Баку. В 1910 году, когда Сталин нелегально покинул свою очередную ссылку в Вологде и приехал в Петербург, он остановился на квартире семьи Аллилуевых. Оказавшись в ссылке в заполярной туруханской тайге, он поддерживал связь с Аллилуевыми. Ольга Евгеньевна посылала Сталину посылки с теплыми вещами, деньги.
После Февральской революции 1917 года Сталин из сибирской ссылки приехал в Петроград. Здесь он направился на квартиру к старым знакомым. Аллилуевы приняли его тепло, приютили. Днями он где-то пропадал, возвращался домой поздно. Его всегда ждали горячий чай с бубликами и неподдельный интерес сестер к молчаливому, чаще всего угрюмому революционеру. В июльские дни 1917 года в квартире Аллилуевых несколько суток скрывался Ленин, которому отвели маленькую комнатку гимназистки Нади.
После Октябрьской революции Сталин стал наркомом по делам национальностей. Надежда Аллилуева работает у него в аппарате секретаршей. В начале 1918 года правительство переезжает в Москву. Надежда тоже перебирается в Москву. Недавняя гимназистка соединяет свою судьбу со Сталиным. В Москве вступила в партию, ездила с мужем па Царицынский фронт. Потом работала в секретариате Совнаркома и личном секретариате Ленина, была у пего дежурным секретарем в Горках.
В 1921 году во время очередной чистки её исключили из партии с формулировкой "за недостаточную общественную деятельность". Ленин счел необходимым обратиться к руководителям комиссии по чистке с письмом, считая своим долгом довести до сведения комиссии обстоятельства, оставшиеся неизвестными "ввиду молодости Надежды Сергеевны Аллилуевой".
"Лично я, - сообщал Ленин, - наблюдал её работу как секретарши в Управлении делами СНК, т. е. мне очень близко. Считаю, однако, необходимым указать, что всю семью Аллилуевых, т. е. отца, мать и двух дочерей, я знаю с периода до Октябрьской революции. В частности, во время июльских дней, когда мне и Зиновьеву приходилось прятаться и опасность была очень велика, меня прятала именно эта семья, и все четверо, пользуясь полным доверием тогдашних большевиков-партийцев, не только прятали нас обоих, но и оказывали целый ряд конспиративных услуг, без которых нам бы не удалось уйти от ищеек Керенского".
Надежду Аллилуеву в партии восстановили.
После кончины Ленина она переходит на работу в редакцию журнала "Революция и культура", который издавался газетой "Правда", потом поступает в Промышленную академию, откуда её отозвали и направили в Московский горком партии. В академии она училась на факультете искусственного волокна. Там же учились её приятельницы - жена А. А. Андреева Дора Моисеевна Хазан и Мария Марковна Каганович. Секретарем партийной ячейки у них был молодой Хрущев, приехавший из Донбасса. Надежда Аллилуева была избрана студентами групоргом.
В своих воспоминаниях Н. Хрущев упоминает период учебы в Промышленной академии: "Когда она училась в Промышленной академии, то очень мало людей знали, что она жена Сталина. Аллилуева и Аллилуева. У нас ещё один был Аллилуев - горняк. Надя никогда не пользовалась доступными ей привилегиями. Она никогда не ездила в Промышленную академию на машине и не уезжала из академии в Кремль на машине. Нет, она приезжала трамваем. Она ничем не выделялась в массе студентов. Ограниченный круг людей знал, что Аллилуева жена Сталина. Это было умно с её стороны - не показывать, что она близка к человеку, который в политическом мире среди друзей и врагов считается человеком "номер один".
О том, что Сталин и его жена были разными по характеру людьми, свидетельствует и Б. Бажанов: "Надя ни в чем не была похожа на Сталина. Она была очень хорошим, порядочным и честным человеком. Она не была красива, но у неё было милое, открытое и симпатичное лицо.
Когда я познакомился с Надей, у меня было впечатление, что вокруг неё какая-то пустота - женщин-подруг у неё в это время как-то не было, а мужская публика боялась к ней приближаться - вдруг Сталин заподозрит, что ухаживают за его женой, - сживет со свету. У меня было явное ощущение, что жена почти диктатора нуждается в самых простых человеческих отношениях...
Домашняя её жизнь была трудна. Дома Сталин был тиран. Постоянно сдерживая себя в деловых отношениях с людьми, он не церемонился с домашними. Не раз Надя говорила мне, вздыхая: "Третий день молчит, ни с кем не разговаривает и не отвечает, когда к нему обращаются, необычайно тяжелый человек". Но разговоров о Сталине я старался избегать - я уже представлял себе, что такое Сталин, бедная Надя только начинала, видимо, открывать его аморальность и бесчеловечность и не хотела сама верить в эти открытия".
В 1919 году семье Сталина выделили дачу в Зубалове. Дом в Зубалове не строили по индивидуальному проекту, а воспользовались брошенной усадьбой, которая называлась по имени бывшего хозяина - нефтепромышленника Зубалова, владевшего нефтеперегонными заводами в Баку и Батуми. Здесь же, неподалеку, поселились А. И. Микоян, К. Е. Ворошилов, Б. М. Шапошников.
Надежда работала, с детьми занималась няня. До 1929-1930 годов, по воспоминаниям Светланы Аллилуевой, мать сама вела хозяйство, получала пайки и карточки. В доме был нормальный быт, которым руководила хозяйка дома. Охраны не было. Единственный охранявший ездил только со Сталиным в машине и к дому никакого отношения не имел. Сталин в то время ходил по московским улицам без охраны.
Летом в Зубалове было людно. Здесь часто появлялся Бухарин. Он играл с детьми, учил няню ездить на велосипеде и стрелять из духового ружья. Приезжал Г. К. Орджоникидзе, который дружил со Сталиным. Близкими подругами были их жены. Появлялся Буденный с гармошкой, под которую пел Ворошилов. В пении иногда участвовал и Сталин, у него был высокий и чистый голос, хотя говорил он, наоборот, глуховато и негромко.
Наде удавалось объединить и сдружить между собой всех разношерстных и разнохарактерных родственников. Наряду с привлекательностью, умом, необыкновенной деликатностью она обладала большой твердостью, упорством и требовательностью в том, что ей казалось непреложным. В 1927 году, во время борьбы Сталина с Троцким, когда Троцкий и Зиновьев были исключены из партии, а их видный сторонник дипломат А. А. Иоффе покончил с собой, на похоронах за его гробом в числе провожавших в последний путь шла Надежда Аллилуева.
В Москву были перевезены родители Надежды. Они жили в кремлевской квартире Сталина, на лето перебирались в Зубалово. После смерти Надежды в 1932 году её родители стали жить порознь. Отец ушел в себя, подолгу не выходил из своей комнаты. Жил попеременно то в Зубалове, то у старшей дочери Анны. Потом засел за воспоминания, которые вышли в 1946 году. Напечатанными он их так и не увидел - умер в 1945 году почти в восьмидесятилетнем возрасте. Его супруга Ольга Евгеньевна была темпераментной, влезала во все мелочи, бурно выражала восторг и недовольство. Она умерла в 1951 году от стенокардического спазма, в возрасте 76 лет.