Barbara Klemms Vater, Maler und Professor an der Karlsruher Kunstakademie, weckte ihr Interesse für die Fotografie. Nach einer Lehre in einem Karlsruher Porträtatelier in den Jahren 1955 bis 1958 begann sie 1959 in Frankfurt bei der Frankfurter Allgemeinen Zeitung in der Klischeeherstellung und im Fotolabor.

Sie wandte sich der journalistischen Fotografie zu und wurde zunächst freie Mitarbeiterin und von 1970 bis zu ihrer Pensionierung 2005 Redaktionsfotografin der FAZ mit den Schwerpunkten Politik und Feuilleton. Ihr Werk wurde auf Ausstellungen im In- und Ausland gezeigt.

Zu ihren Auszeichnungen und Preisen zählen der Dr.-Erich-Salomon-Preis (1989), die Hugo-Erfurth-Auszeichnung (1989), der Maria-Sibylla-Merian-Preis für bildende Künstlerinnen in Hessen (1998), der Hessische Kulturpreis (2000), der Konrad-von-Soest-Preis des Landschaftsverbandes Westfalen-Lippe (2000) und der Max-Beckmann-Preis der Stadt Frankfurt am Main (2010), die Aufnahme in die Leica Hall, of Fame (2012) und der Folkwang Preis.

Barbara Klemm ist Mitglied der Akademie der Künste in Berlin und war bis 2020 Honorarprofessorin an der Fachhochschule Darmstadt. Sie lebt und arbeitet in Frankfurt am Main.