Doğum tarihi kesin olarak bilinmemekle birlikte babasının tahta çıkışının ilk yıllarında 928’de (1522) dünyaya geldiği tahmin edilmektedir. Annesi Hürrem Sultan’dır. Bazı kaynaklarda adı “Mihrmah, Mihrimah” şeklinde geçerse de Osmanlı belgelerinde ve dönemin kroniklerindeki yazılış şeklinden hareketle bu adın “Mihr ü Mah” olarak okunmasının daha doğru olacağı anlaşılmaktadır. Bununla beraber literatürde “Mihrimah” yazılışı yaygınlık kazanmıştır.
Kanûnî Sultan Süleyman’ın hayatta kalan tek kızı olması dolayısıyla babası tarafından çok sevilen Mihrimah Sultan annesinin nezaretinde iyi bir eğitim gördü. Evlenme çağına geldiğinde sarayla yakın ilişki içinde bulunan Diyarbekir Beylerbeyi Rüstem Paşa ile evlendirilmek istendi. Bazı Osmanlı kaynaklarında yer alan rivayete göre damad adayı hakkında cüzzamlı olduğu dedikoduları çıkarılmış, padişah da bunun doğruluğunu öğrenmek için Hassa doktorlarından birini Diyarbekir’e göndermiş, doktor Rüstem Paşa’nın üzerinde bit tesbit etmiş, cüzzamlıda bit bulunmayacağı için onun cüzzamlı olmadığını bildirmiştir. Ancak bu rivayetin doğru olmayıp daha sonraki siyasî çekişmelerin geç tarihli kaynaklara bir yansımasından ibaret bulunduğu söylenebilir. Mihrimah Sultan ile Rüstem Paşa’nın düğünü Receb 946’da (Kasım 1539) Şehzade Bayezid ve Cihangir’in sünnet düğünleriyle birlikte yapılmıştır.
Mihrimah Sultan bundan sonra eşinin yükselmesine çalıştı, annesiyle birlikte iktidar mücadelesinin en güçlü cephesini oluşturdu. Bu ekip Rüstem Paşa’nın vezîriâzam olmasıyla daha da güçlendi. Şehzade Mustafa Çelebi’nin gözden düşürülüp Şehzade Bayezid’in öne çıkarılması ve ona padişahlık yolunun açılmasına çalışıldı. 951’de (1544) Rüstem Paşa’nın vezîriâzam oluşunun ardından, 960’ta (1553) Şehzade Mustafa padişahın emriyle idam edildi. Ancak oluşan tepkiler sebebiyle Kanûnî damadını azletti. Mihrimah eşinin bu olay yüzünden idamını önlemek için annesine başvurdu. Hürrem Sultan Halep’te bulunan padişaha bir mektup yazarak damadının affını istedi. Mihrimah Sultan iki yıl sonra Rüstem Paşa’nın yeniden vezîriâzam olması için annesiyle birlikte çalıştı, sonunda onların da tesiriyle Vezîriâzam Kara Ahmed Paşa ansızın idam edilerek yerine Rüstem Paşa getirildi (962/1555).
Annesinin ölümüne kadar Şehzade Bayezid’in veliaht olması için çalışan Mihrimah Sultan’ın 965’te (1558) Hürrem Sultan’ın ölümü üzerine sarayda nüfuzu daha da arttı. Kanûnî Sultan Süleyman bu defa kızını yanında tutarak her konuda onunla görüşüyordu. Mihrimah Sultan kocasıyla beraber Şehzade Bayezid’i desteklemeyi sürdürdü. Ancak Şehzade Bayezid’in kayıtsız tutumu üzerine Şehzade Selim’in yanında yer aldı. Rüstem Paşa’nın 968’de (1561) ölümünün ardından bir daha evlenmedi. Bu sırada Şehzade Selim’den yana ağırlığını koydu. Rüstem Paşa ile evliliklerinden Ayşe Hümâşah ve Osman adında iki çocukları olmuştur.
Kanûnî Sultan Süleyman’ın 974’te (1566) ölümünden sonra Mihrimah Sultan, II. Selim ve III. Murad’ın saltanat yıllarında sarayın ve haremin en nüfuzlu kadınları arasında yer aldı. Eski Saray’da yaşadı ve kendisine yüksek dereceden maaş bağlandı. Vefat tarihi o sırada İstanbul’da bulunan Alman seyyahı Stephan Gerlach’a göre 25 Ocak 1578’dir. Mezarı Süleymaniye Camii hazîresinde babasının yanındadır.
Kaynaklara göre Mihrimah Sultan iyi yetiştirilmiş olup güzel konuşur ve güzel yazardı. Kaleme aldığı mektuplarından iç ve dış siyasî gelişmelerle de ilgilendiği anlaşılmaktadır. Annesi gibi o da Leh kralına mektuplar yazmıştı. Son derece dindar ve hayır severdi; oldukça büyük bir servete sahipti. II. Selim’in tahta çıkışında âcil ihtiyaçlar için ona 50.000 altın vermişti.
Mihrimah Sultan Üsküdar’da iskele karşısında iki minareli bir cami, çeşme, medrese, sıbyan mektebi ve kervansarayın yanı sıra (954/1547) Edirnekapı’da tek minareli bir cami, bir çeşme, bir medrese, sıbyan mektebi ve bir çifte hamamdan oluşan bir külliye inşa ettirmiştir (973/1566). Edirnekapı’daki hayratına su temin etmek için Zincirli suyu da denilen Mihrimah suyu tesisini yaptırmıştır (DİA, XV, 364). Ayrıca bu vakıfların birer imareti bulunmaktadır. Mekke’de Aynizübeyde su yollarını tamir ettirmiş ve bu iş için 500.000 altın harcamıştır (Selânikî, I, 95). Bulgaristan’da XVI. yüzyılın ilk yarısında kurulan Avretalan (Koprivştitsa) Mihrimah Sultan’ın evkafı arasındaydı.
Selânikî, Târih (İpşirli), I, 95, 186; Peçuylu İbrâhim, Târih, I, 22; Evliya Çelebi, Seyahatnâme, I, 165; Müneccimbaşı, Sahâifü’l-ahbâr, III, 510; M. Çağatay Uluçay, Osmanlı Sultanlarına Aşk Mektupları, İstanbul 1950, s. 43, 46-47; a.mlf., Padişahların Kadınları ve Kızları, Ankara 1980, s. 39; Cahid Baltacı, XV.-XVI. Asırlarda Osmanlı Medreseleri, İstanbul 1976, s. 307; L. P. Peirce, Harem-i Hümayun: Osmanlı İmparatorluğu’nda Hükümranlık ve Kadınlar (trc. Ayşe Berktay), İstanbul 1996, s. 80, 85, 91, 102-103, 112, 171; A. D. Alderson, Osmanlı Hanedanının Yapısı (trc. Şerafettin Severcan), İstanbul 1998, s. 95, 155, 251; Nejat R. Uçtum, “Hürrem ve Mihrümah Sultanların Polonya Kıralı II. Zigsmund’a Yazdıkları Mektuplar”, TTK Belleten, XLIV/176 (1980), s. 697-715; M. Cavid Baysun, “Mihr ü Mâh Sultan”, İA, VIII, 307-308; F. Babinger, “Mihr-i Māh Sulṭān”, EI2 (İng.), VII, 6-7; Kâzım Çeçen, “Halkalı Suları”, DİA, XV, 364.