Barbara Romanowicz a étudié les mathématiques à l'École normale supérieure avant de se spécialiser d'abord en astronomie, pour enfin soutenir une thèse d'état en géophysique à l'université Paris-VII en 1979. Chercheur au CNRS dans les années 80, elle a dirigé le développement d'un réseau global de stations sismiques large bande, GEOSCOPE, qui constitue encore à l'heure actuelle la contribution française à la base de données internationales utilisée pour l'imagerie de l'intérieur de la Terre. Nommée professeur et directeur du laboratoire de sismologie à l'université de Californie à Berkeley en 1991, elle y a développé pendant 20 ans un réseau de surveillance sismique en temps réel pour la Californie du Nord.

Elle est titulaire de la chaire Physique de l'intérieur de la Terre au Collège de France depuis 2011 et anime une équipe de recherches internationale entre l'IPG de Paris et l'université de Berkeley, où elle est professeur émérite depuis 2016.

À côté de ses recherches en imagerie sismique de l'intérieur de la Terre, elle s'intéresse, entre autres, à la dynamique interne des planètes, aux processus à la source des séismes, et à l'origine du « bourdonnement terrestre », bruit sismique de longue période engendré dans les océans.