Phyllis Bloom naît le à Toronto au sein d'une famille juive. Son père Leo Gotlieb est directeur d'un cinéma et sa mère est Mary Kates Bloom. Gotlieb est diplômée de l'Université de Toronto en littérature en 1948 (BA) et 1950 (MA).
En 1949, elle épouse Calvin Gotlieb, enseignant en informatique à l'Université de Toronto. Ils ont trois enfants.
En 1961, Gotlieb publie Who Knows One, un recueil de poèmes.
Elle est souvent désignée comme la «mère de la science-fiction canadienne»,. Ses thèmes explorent la télépathie, la renaissance psychique, les super pouvoirs des mutants. Son premier roman de science-fiction, Sunburst, est publié en 1964. Elle publie des nouvelles dans Galaxy, Cosmos et If et anime des émissions de radio sur CBC.
Gotlieb remporte le prix Aurora du meilleur roman de science-fiction et fantasy canadien en 1982 pour A Judgement of Dragons.
Le prix Sunburst(en), décerné depuis 2001, porte le nom de son premier roman en son honneur.
Anna Bedford, «Beyond Survival: Climate Change and Reproduction in The Handmaid's Tale, Birthstones, and The Fifth Season», dans Lisa Yaszek, Sonja Fritzsche, Keren Omry, Wendy Gay Pearson, The Routledge Companion to Gender and Science Fiction, Routledge, , 440p. (lire en ligne).
(en) Dominick M. Grace, Camille La Bossière (dir.) et Jean-François Leroux (dir.), Mind Matters: Intellect ans Identity in the world ogf Phyllis Gottlieb dans Worlds of Wonder: Readings in Canadian Science Fiction and Fantasy Literature, University of Ottawa Press, (ISBN978-0-7766-1745-9, lire en ligne), p.105-117.