Junto con su prima Jacinta Marto y su primo Francisco Marto, tuvo seis apariciones marianas en la Cova da Iria, cerca de Fátima, del 13 de mayo al 13 de octubre de 1917, a la edad de diez años. Francisco Marto murió de gripe española en 1919, Jacinta en 1920, y ambos fueron beatificados por el Papa Juan Pablo II en Fátima el 13 de mayo de 2000 y canonizados por el Papa Francisco en Fátima el 13 de mayo de 2017.
Lucía ingresó en el Colegio de las Hermanas Doroteas de Vilar, cerca de Oporto, el 17 de mayo de 1921, donde aprendió a leer y escribir. El 2 de octubre de 1926 fue recibida en el convento de Tuy (España). Recibió el nombre religioso de Maria das Dores (en alemán: María de los Dolores), emitió su profesión temporal el 3 de octubre de 1928 y su profesión perpetua el 3 de octubre de 1934. Tras el estallido de la Guerra Civil española, fue enviada al Colégio do Sardão, cerca de Oporto (Portugal), en 1936, y regresó al monasterio de Tuy en 1946. Con el permiso del Papa Pío XII, el 25 de marzo de 1948 se traslada al Carmelo de Santa Teresa de Coimbra. El 13 de mayo de 1948 fue iniciada allí como carmelita y emitió su profesión solemne el 31 de mayo de 1949. En su profesión recibió el nombre religioso de María Lucía del Inmaculado Corazón.
En 1941 escribió los llamados Primer y Segundo Misterios, y en 1944 el Tercer Secreto de Fátima. La transcripción contiene los mensajes que, según ella, la Virgen transmitió a los niños.
Según Wegener, había escrito por primera vez dos informes (80 páginas mecanografiadas) en 1936/1937, a petición de José Alves Correia da Silva (1852-1957), obispo de Leiria, responsable de Fátima desde 1920. Cuatro años más tarde, el obispo encargó una memoria más detallada. El 31 de agosto y el 8 de diciembre de 1941 redactó un informe (más de 60 páginas mecanografiadas en total). En él, por primera vez, se mencionaban las apariciones de un ángel en 1916 y los """"""""secretos de la segunda y tercera apariciones de la Virgencita"""""""" y de algunas visiones de Jacinta. Según Wegener, ya en la primavera de 1921, el obispo de Leiria compró los terrenos de Cova da Iria, donde, en el otoño de ese año, comenzaron las obras de construcción de la """"""""Basílica de Nuestra Señora del Rosario"""""""".
Tumbas de Jacinta Marto y Lúcia dos Santos en la Antiga Basílica de Fátima.
El día del funeral de Sor Lúcia, 15 de febrero de 2005, fue declarado día de luto nacional en Portugal. El 19 de febrero de 2006, Sor Lúcia dos Santos fue trasladada de Coimbra a Fátima y enterrada en la Basílica del Rosario junto a Jacinta y Francisco. En el tercer aniversario de su muerte, en 2008, el Papa Benedicto XVI dio su consentimiento para iniciar el proceso de beatificación de Lúcia do Santos, haciendo caso omiso de una norma de derecho canónico según la cual un proceso de beatificación no puede abrirse antes de cinco años después de la muerte de una persona