Issue d’une famille bourgeoise républicaine de confession juive, c’est son mariage avec Léon Brunschvicg, un philosophe féministe membre de la Ligue des Droits de l’Homme, qui l’amène à militer pour le féminisme.
Son engagement social et féministe débute en 1908, avec sa participation à la section Travail du Conseil National des Femmes (CNFF), puis se prolonge en 1909 avec son adhésion en l’Union Française pour le Suffrage des femmes. Elle adhère en 1924 au Parti républicain, radical et radical-socialiste qui vient de s’ouvrir aux femmes. Elle est nommée sous-secrétaire d’État à l’Éducation nationale dans le premier gouvernement de Léon Blum, en 1936. Son ministre de tutelle est Jean Zay. Elle est, avec Suzanne Lacore et Irène Joliot-Curie, la première femme membre d’un gouvernement français, alors que celles-ci n’ont pas le droit de vote. Elle participe à la création des cantines scolaires, au développement de la surveillance de la délinquance et des risques sanitaires ainsi qu’à la promotion de l’éducation des filles. Le gouvernement Blum tombe et son successeur, Camille Chautemps, ne la reconduit pas dans ses fonctions.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, elle est contrainte de se cacher dans le Midi de la France. Elle est « Présidente d’honneur du Conseil National des femmes radicales socialistes ». Cécile Brunschvicg décède le 5 octobre 1946 à Neuilly-sur-Seine.