Bà Hoàng Thị Nga sinh năm 1903 trong một gia đình danh giá tại làng Đông Ngạc, tổng Minh Cảo, huyện Từ Liêm, phủ Hoài Đức, tỉnh Cầu Đơ (nay thuộc phường Đông Ngạc, quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội). Bà xuất thân từ dòng họ học thức, với tiên tổ là ông Hoàng Nguyễn Thự, người đỗ Tiến sĩ đệ tam giáp vào năm 1787. Thân phụ bà là ông Hoàng Huân Trung, đỗ Cử nhân năm Quý Mão (1903), từng giữ chức Tri phủ Phú Thọ, sau thăng hàm Tổng đốc và đảm nhiệm vai trò Hội trưởng Hội Khai trí Tiến đức, được nhân dân kính trọng gọi là "Cụ Thượng Hoàng".

Gia đình bà cũng nổi bật với nhiều thành viên có học vấn cao, như anh trai bà, ông Hoàng Cơ Nghị, cử nhân Vật lý và là giáo sư tại Trường trung học Bảo hộ. Thuở nhỏ, bà Nga theo học tại trường nữ sinh tiểu học Pháp-Việt Ecole Brieux ở Hà Nội. Sau đó, bà tiếp tục học tại trường Sư phạm nữ sinh người Việt (École Normale des Institutrices annamites), nay là trường THCS Trưng Vương.

Sau khi tốt nghiệp, bà đã giảng dạy tại Đáp Cầu, Bắc Ninh, rồi tiếp tục học tại trường Cao đẳng Sư phạm (École Supérieure de Pédagogie). Tháng 8 năm 1928, bà theo học khoa Khoa học tại Đại học Paris (nay là Đại học Sorbonne) và lấy bằng Cử nhân năm 1931.

Ngày 19/3/1935, bà bảo vệ thành công luận án Tiến sĩ Khoa học Vật lý với đề tài "Tính chất quang điện của các chất hữu cơ", trở thành người phụ nữ Việt Nam đầu tiên đạt học vị Tiến sĩ khoa học. Sự kiện này được tờ Tạp chí Khoa học ghi nhận vào ngày 1/7/1935 với tựa đề: "Thật là vẻ vang cho đàn bà nước Nam: Cô Hoàng Thị Nga mới đỗ tiến sĩ về khoa vật lý học". Bài báo khen ngợi bà Nga với nhận xét: "Hội đồng, sau khi nghe bài luận thuyết của cô, đồng thanh ngợi khen cô và nhận cho cô được lấy bằng tiến sĩ vào ưu hạng". Công chúng chứng kiến kỳ thi đều tỏ lòng khâm phục tài năng khoa học của bà.

Giáo sư Hoàng Xuân Sính, trong một bài viết trên tạp chí Xây dựng Đảng, cũng nhắc đến bà như người phụ nữ Việt đầu tiên đỗ Tiến sĩ Tây học. Ông mô tả thời điểm bà được Toàn quyền Đông Dương Đờ-cu tiếp đón khi trở về Việt Nam sau khi nhận bằng tiến sĩ. Giáo sư Hoàng Xuân Sính nhấn mạnh rằng các nam giới khi gặp bà đều phải chuẩn bị kỹ lưỡng lời ăn tiếng nói để không làm mất thể diện.

Theo nhiều tài liệu, bà Hoàng Thị Nga từng giữ vị trí Hiệu trưởng đầu tiên của trường Đại học Khoa học (hoặc trường Cao đẳng Khoa học) nhưng chỉ trong một thời gian ngắn trước khi bà quay về Pháp. Tuy vậy, lý do bà không còn được nhắc đến nhiều trong lịch sử giáo dục đại học Việt Nam vẫn còn là một ẩn số, và tên tuổi bà dần mất hút theo dòng thời gian.