Rebé les primeres lliçons musicals de la seva mare, organista, i després amplià la seva formació com a cantant amb Anna Ryan. Encara adolescent, formà un duet amb la seva germana, amb la qual actuà en diversos cafès. Aconsellada per E. Caruso, estudià cant amb W.Thorner i R. Romani. El 1918 debutà al Metropolitan de Nova York com a Leonora (La forza del destino) juntament amb Caruso. L’activitat de Ponselle se centrà de manera pràcticament exclusiva en aquest teatre nord-americà, on actuà en dinou temporades al llarg de les quals encarnà més de vint papers, sempre reeixits, especialment en òperes de G. Verdi. També cantà a Londres, on debutà al Covent Garden el 1929 com a Norma, i al Maggio Musicale Fiorentino, on el 1933 protagonitzà La vestale. Feu un enregistrament de La Traviata amb direcció d’E. Panizza. Retirada el 1937, es dedicà a la docència i el 1954 feu encara alguns enregistraments. La seva germana Carmella (1888-1977) també fou cantant, concretament mezzosoprano, i actuà al Metropolitan de Nova York entre el 1925 i el 1935.