Кармен Мондрагон была пятой из восьми детей генерала Мануэля Мондрагона и Мерседес Вальсека. В 1897-1905 годах жила с родителями во Франции, свободно говорила по-французски. С 1905 года семья переехала в Испанию. В 1913 году Кармен вышла замуж за друга семьи - художника Мануэля Родригеса Лосано, с которым переехала в Париж. Среди друзей артистической семьи были Пабло Пикассо, Анри Матисс и Жан Кокто. После начала Первой мировой войны супруги переехали в Сан-Себастьян (брат - Мануэль Мондрагон-младший - держал здесь фотостудию), где Кармен сама начала заниматься живописью.
В 1921 году Кармен Мондрагон вернулась в Мексику и рассталась с мужем, хотя имеется версия, что официальный развод так и не был зарегистрирован. Художница вошла в круг аристической элиты и некоторое время участвовала в работе авангардистского театра «Улисс». В числе её знакомых были Хосе Васконселос и Хавьер Вильяуррутия. Вела свободный, богемный образ жизни, любила эпатировать публику: была, по-видимому, первой женщиной в Мексике, носившей мини-юбку. В Мехико она охотно позировала своим друзьям, в частности, Диего Ривере, Тине Модотти, известна также серия её фотографий в обнажённом виде, выполненных Антонио Кардуньо. В середине 1920-х годов она переживала бурный роман с художником Херардо Мурильо по прозвищу «Доктор Атль»; жили они в бывшем монастыре, выкупленном художником. Он дал Кармен Мондрагон прозвище Науи Оллин (аст. Nahui Olin), обозначавшее у ацтеков нашу Вселенную, сохранённую от разрушения самопожертвованием одного из богов. После разрыва она отрицала всякую с ним связь.
В 1922-1923 годах К. Мондрагон издала поэтические сборники «Оптика головного мозга», «Динамические поэмы» и «Calinement Je Suis Dedans», в те же годы писала картины в примитивистском стиле, который сама определяла как «интуитивный». В 1940-х годах полностью отошла от общественной деятельности, в 1950-х годах преподавала рисование в начальной школе. Скончалась в одиночестве, в полном забвении. В 1990-е годы её персональные выставки были проведены в Музее Диего Риверы в Мехико и Музее мексиканского искусства в Чикаго.