Wilhelmine Herzlieb wurde als Tochter des Züllichauer Superintendenten geboren. Doch schon im frühen Kindesalter verlor das Mädchen beide Eltern und wurde von der Familie des Verlegers Carl Friedrich Ernst Frommann als Pflegetochter aufgenommen. Sie zog mit der Pflegefamile nach Jena um. Im Hause der Pflegeeltern lernte sie schon in jungen Jahren den Dichter Johann Wolfgang von Goethe kennen.

Vermutlich im Winter 1807/08 wandelte sich die Liebe eines väterlichen Freundes, die Goethe bisher für das junge Mädchen empfunden haben möchte, zu der eines alternden Mannes zu einer jungen Frau, die Wilhelmine Herzlieb inzwischen war. In diesem Winter hielt Goethe sich für längere Zeit in Jena auf. So verfasste dieser mehrere Sonette an die junge Frau, die diese jedoch nicht wahrnahm.

Auch andere aus dem Goethe-Umfeld stammende Dichter, wie zum Beispiel Friedrich Wilhelm Riemer oder Zacharias Werner umschwärmten Wilhelmine Herzlieb literarisch.

Manch ein GoetheGoethe-Forscher sieht in Wilhelmine Herzlieb die Vorlage für die Figur der Ottilie in Goethes »Wahlverwandschaften«. Jedoch gibt es diesbezüglich noch keine eindeutigen Belege.

Sie verliebte sich unglücklich in Heinrich Christian Friedrich von Schweinitz. Diese Beziehung scheiterte an den zu Beginn des 19. Jahrhunderts noch herrschenden Klassenschranken währen ihre Beziehung mit dem Berliner Pädagogen Pfund an ihrer eigenen inneren Ablehnung scheiterte.

Im Jahre 1821 ging Wilhelmine Herzlieb eine Vernunftsehe mit dem Juristen Karl Wilhelm Walch (1776-1853) aus Jena ein. Doch die Ehe mit dem Juristen verlief für die junge Frau verhängnisvoll und sie verbrachte ihren Lebensabend in geistiger Umnachtung in einer Görlitzer Heilanstalt.