Nasce a Verona il 30 dicembre 1918 in una famiglia colta e borghese: il padre, Ettore, è uno dei più illustri grecisti italiani. Conclusi gli studi superiori a Milano, si trasferisce con la famiglia a Roma dove si iscrive alla facoltà di Lettere, si laurea in Archeologia e avvia il percorso professionale di insegnante di Lettere. Nel 1940 sposa Gianfilippo Carettoni, ricercatore, archeologo e negli anni Sessanta e Settanta sovrintendente alle Antichità di Roma; nel 1941 nasce il figlio Ettore.
Dopo aver stabilito durante gli studi universitari i primi contatti con gli ambienti antifascisti, partecipa attivamente alla Resistenza romana con le formazioni liberali. Nel dopoguerra confluisce nel Partito d’azione e quando, nel 1947, questo si scioglie entra con il gruppo di Riccardo Lombardi nel Partito socialista. Negli stessi anni vince il concorso per l’insegnamento e nel 1947 comincia a lavorare a Latina, successivamente a Roma, presso l’Istituto tecnico Leonardo da Vinci e infine, dal 1956 al 1960 al Liceo Tasso, dove insegna Storia dell’Arte.
Nel 1948 è candidata alle elezioni politiche con il Fronte popolare ma non è eletta e dedica il suo impegno al Sindacato scuola media, allora ancora unitario e all’Udi.
Negli anni Cinquanta è eletta nel comitato centrale del Psi, sostiene la linea autonomista e caldeggia l’avvio di un dialogo con i cattolici per chiudere con il centrismo e realizzare una politica avanzata di riforme. Dopo il congresso del 1959 entra nella direzione e lascia l’insegnamento per dedicarsi completamente alla vita politica. Nel 1963 è eletta al Senato nel collegio di Mantova ed è componente della Commissione Istruzione pubblica e della Commissione speciale dei terremoti in Sicilia; nel 1964 è nominata vice presidente della Commissione parlamentare d’indagine per la tutela e la valorizzazione del patrimonio storico, archeologico, artistico e del paesaggio: in questa sede è elaborata quella nozione di “bene culturale” che entrerà a far parte ufficialmente del linguaggio giuridico. Nel 1963, assieme a Riccardo Lombardi ed altri dirigenti autonomisti, rifiuta di approvare il programma del nuovo governo di centro-sinistra organico negoziato da Nenni e Moro, provocando il rinvio del varo dell’esecutivo, giudicato non sufficientemente radicale. Negli anni successivi osteggia anche il processo di unificazione socialista e al congresso del 1966, assieme ad un piccolo gruppo di lombardiani, non aderisce al Partito socialista unificato, nato dall’unione del Psi e del Psdi il 30 ottobre 1966. Al Senato si iscrive al gruppo parlamentare Misto, assieme a Simone Gatto e Luigi Anderlini con i quali sostiene l’Appello di Ferruccio Parri per l’unità delle sinistre, pubblicato il 17 dicembre 1967. Alle elezioni politiche del 1968 e 1972 è eletta al Senato in una lista elettorale unitaria Pci-Psiup, con personalità indipendenti proposte dallo stesso Parri, che formano il gruppo parlamentare denominato Sinistra indipendente, del quale è nominata segretaria per l’intera legislatura.
Come senatrice si impegna per la riforma scolastica e universitaria, per la valorizzazione dei beni culturali e artistici, per la costituzione dell’unità europea, per l’introduzione dei diritti civili e delle donne, sostenendo la costituzione della Commissione pari opportunità, la riforma del diritto di famiglia, l’introduzione del divorzio e della legge di regolamentazione dell’aborto. Nel 1978 è chiamata a presiedere il Consiglio nazionale dell’Unione italiana centri educazione matrimoniali e prematrimoniali, un’organizzazione laica, senza scopo di lucro, che si occupa di pianificazione familiare. Nel 1967, dopo il colpo di stato militare in Grecia, fonda il Comitato per la libertà della Grecia e il Comitato per gli aiuti umanitari al popolo greco, presieduti da Ferruccio Parri e con la partecipazione di tutti i partiti democratici italiani. Dal maggio 1972 all’aprile 1979 è vice presidente del Senato.
Dal 1971 al 1976 è membro della rappresentanza italiana al Parlamento europeo, dove ritorna dal 1979 al 1984, eletta nelle prime elezioni dirette a suffragio universale. Si iscrive al gruppo parlamentare comunista e apparentati e partecipa al lavoro di diverse commissioni: per gli affari sociali e l’occupazione, per le relazioni economiche esterne, per lo sviluppo e la cooperazione e alla commissione parlamentare mista dell’associazione Cee-Turchia.
Conclusa l’esperienza parlamentare, ricopre prestigiosi incarichi internazionali. È presidente dell’Istituto Italo-Africano e dopo il 1995, presidente onoraria dell’Istituto Italiano per l’Africa e l’Oriente (IsIAO); presidente della Commissione italiana per l’Unesco, dal dicembre 1985 al 2004; presidente nel 1992 del Forum internazionale delle donne del Mediterraneo, un’organizzazione non governativa dell’Onu e dell’Unesco; infine presidente del Comitato internazionale di HERITY, organismo non governativo e non profit per la gestione di qualità del patrimonio culturale.
Nel marzo 2005 il presidente della Repubblica la nomina Dama di Gran Croce dell’Ordine al Merito della Repubblica. Nel 2014 Roberta Yasmine Catalano pubblica La felicità è un pezzo di pane e cioccolata: conversazioni con Tullia Carettoni Romagnoli.
Muore il 24 novembre 2015.