Avec sa cousine Jacinta Marto et son cousin Francisco Marto, elle eut six apparitions mariales à la Cova da Iria près de Fátima du 13 mai au 13 octobre 1917, à l'âge de dix ans. Francisco Marto est mort de la grippe espagnole en 1919, Jacinta en 1920, et tous deux ont été béatifiés par le pape Jean-Paul II à Fatima le 13 mai 2000 et canonisés par le pape François à Fatima le 13 mai 2017.
Lucie est entrée au collège des sœurs Dorothée à Vilar, près de Porto, le 17 mai 1921, où elle a appris à lire et à écrire. Le 2 octobre 1926, elle est reçue au couvent de Tuy (Espagne). Elle reçoit le nom religieux de Maria das Dores (en allemand : Marie des Douleurs), fait sa profession temporaire le 3 octobre 1928 et sa profession perpétuelle le 3 octobre 1934. Après le début de la guerre civile espagnole, elle est envoyée au Colégio do Sardão près de Porto (Portugal) en 1936 et retourne au monastère de Tuy en 1946. Avec la permission du pape Pie XII, le 25 mars 1948, elle est autorisée à s'installer au Carmel de Sainte-Thérèse à Coimbra. Le 13 mai 1948, elle y est initiée comme carmélite et fait sa profession solennelle le 31 mai 1949. Lors de sa profession, elle reçoit le nom religieux de Maria Lucia du Cœur Immaculé.
En 1941, elle écrivit ce que l'on appelle les Premier et Deuxième Mystères et, en 1944, le Troisième Secret de Fatima. La transcription contient les messages qui, selon elle, ont été transmis aux enfants par la Sainte Mère.
Selon Wegener, elle a d'abord rédigé deux rapports (80 pages dactylographiées) en 1936/1937 à la demande de José Alves Correia da Silva (1852-1957), l'évêque de Leiria, qui était responsable de Fatima depuis 1920. Quatre ans plus tard, l'évêque demande un mémoire plus détaillé. Les 31 août et 8 décembre 1941, il rédige un rapport (plus de 60 pages dactylographiées au total). Pour la première fois, il y est fait mention des apparitions d'un ange en 1916 et des """"secrets des deuxième et troisième apparitions de la Petite Madone"""" et de quelques visions de Jacinthe. Selon Wegener, dès le printemps 1921, l'évêque de Leiria acheta le terrain de la Cova da Iria où, à l'automne de la même année, commencèrent les travaux de construction de la """"Basilique de Notre-Dame du Rosaire"""".
Tombes de Jacinta Marto et de Lúcia dos Santos dans l'Antiga Basilica de Fatima.
Le jour des funérailles de Sœur Lucia, le 15 février 2005, a été déclaré jour de deuil national au Portugal. Le 19 février 2006, Sœur Lúcia dos Santos a été transférée de Coimbra à Fatima et enterrée dans la Basilique du Rosaire à côté de Jacinthe et François. En 2008, à l'occasion du troisième anniversaire de sa mort, le pape Benoît XVI a donné son accord pour entamer le procès de béatification de Lúcia do Santos, passant outre une règle de droit canonique selon laquelle un procès de béatification ne peut être ouvert que cinq ans après la mort d'une personne.