Nació en Wondelgem, Bélgica el 3 de Mayo de 1912. Su padre, George Sarton era un historiador de ciencia, y madre, Mabel Sarton, diseñadora y artista. De su madre, May aprendió dedicación y creatividad aplicada a todos los aspectos de la vida, de su padre, la fuerte dedicación al trabajo. En In 1916 los Sarton partieron hacia EEUU, escapando del avance alemán sobre Bélgica, y se establecieron en  Cambridge, Massachusetts, donde George Sarton aceptó un puesto en Harvard como instructor part-time instructor y obtuvo asistencia económica del Instituto Carnegie, dedicándose al estudio de la historia científica. May publicó sus primeros poemas cuando aún era adolescente y estudiaba en la Shady Hill School allí bajo la influencia de Agnes Hocking, desarrolló su amor e interés por la poesía. En sus memorias I Knew a Phoenix, May se refirió a estos años. Durante su adolescencia viajó a estudiar a Bélgica, donde conoció a Marie Closset, que escribía y publicaba poesía bajo el nombre de Jean Dominique. Closset se convirtió en una amiga íntima,  mentora de Sarton, y fue la inspiradora de su primera novela titulada The single Hound. En el año 1929 se graduó en la  The High and Latin School en Cambridge. Luego de esto, se unió a la compañía teatral de Eva Le Gallienne, con posterioridad creó su propia compañía, que fracasó luego de la crisis del 29 durante la Gran Depresión. Este fracaso la impulsó a seguir sus pasos dentro de la literatura. En 1931, con 19 años de edad viajó a Europa y vivió en París durante un año, en tanto sus padres se encontraban en el Líbano. Esto marcó el comienzo de una vida aventurera, que la llevaría a visitar cada año Europa, y donde llegaría a conocer a figuras prominentes tales como Virginia Woolf, Elizabeth Bowen, Julian y Juliette Huxley, Lugné-Pöe, Basil de Sélincourt, y S.S. Koteliansky.

Su primer libro de poemas fue publicado en 1938, el libro fue The single Hound. A finales de los 30 publicó su segundo volumen titulado Paisaje interior. Y terminó su primera novela Fire in the mirror, que de todos modos no fue publicada. A lo largo de su vida publicó más de 40 libros de género variado, incluido los diarios, nueve en total, el más conocido Diario de la soledad del año 1977, donde explora las alegrías  y los miedos de vivir sola. Sus poemas también gozan de un gran grado de intimidad, en sus diarios por ejemplo alguna vez examinó sus relaciones lesbianas. Sus últimos diarios son los más abiertos respecto a su sexualidad. Y este tema era central en su vida y obra. Durante muchos años vivió junto a otra mujer llamada Judith Matlack, dicha relación fue recordada en el libro Honey in the Hive (1988). De sus 19 novelas The Education of Harriet Hatfield (1989) y Mrs. Stevens Hears The   Mermaids Singing (1965), la última de las cuales fue llevada al cine por Patricia Rozema bajo el nombre Yo escuché las sirenas cantar, se acercan muchísimo al tema del despertar de la identidad sexual. Para Sarton, la acogida crítica de estas novelas como "lesbianas" significó un gran dilema, puesto que no quería ser enmarcada dentro de una categoría limitada. Durante toda su vida abogó por la existencia de un lector amplio,  y no ser relegada a un grupo limitado, quería ser tomada como una "escritora universal", como lo era, puesto que sus temas tampoco se centraron en relaciones lesbianas o personajes lésbicos, también escribió sobre otros temas como la familia y la vida luego del casamiento, así como algunos libros para niños como Punch's Secret, y A Walk Through the Woods y la vejez en la novela As We Are Now, la soledad y el amor en todas sus formas.

El año 1982 trajo un gran dolor para Sarton, falleció Judith Matlack, años más tarde publicaría una edición especial llamada Honey in the Hive que consistió en una serie de escritos de Matlack junto a comentarios de Sarton. 

En los ochenta, Sarton escribió varias novelas, entre ellas : Anger (1982), The Magnificent Spinster (1985), basada en la vida de su amiga Anne Longfellow Thorp who had died in 1977, y The Education of Harriet Hatfield (1989). Durante los noventa, siguió con su obra aunque con ciertas limitaciones provocadas por un ataque al corazón, así llegaron Endgame: A Journal of the Seventy-Ninth Year (1992);  Encore: A Journal of the Eightieth Year. En este trabajo una vez más Sarton se dedica a celebrar la vida a pesar de las limitaciones que padece debido a lo que ella llama "edad anciana". Su último libro fue At Eighty-Two: A Journal, publicado póstumamente en el año 1995.