Limbach stammte aus einer sozialdemokratisch und frauenrechtlich engagierten Familie. Sie besuchte die reformpädagogisch orientierte Schulfarm Scharfenberg in Berlin-Tegel, seit 1948 die Goetheschule in Berlin-Lichterfelde, wo sie 1953 das Abitur erhielt. 1954 begann sie, anfangs mit dem Ziel, politische Journalistin zu werden, ein Studium der Rechtswissenschaften an der Freien Universität (FU) Berlin-West v. a. bei Ernst Eduard Hirsch (1902–1985). 1958 legte sie das Erste juristische Staatsexamen ab, nach dem Referendariat im Bezirk des Kammergerichts in Berlin-West mit Gastaufenthalten bei der Staatsanwaltschaft Kiel und der Hochschule für Verwaltungswissenschaften in Speyer folgte 1962 das Zweite juristische Staatsexamen; im selben Jahr trat sie in die SPD ein. Seit 1963 wissenschaftliche Assistentin Hirschs, wurde sie 1966 bei diesem mit der Arbeit „Die empirischen Normaltypen der Gesellschaft mit beschränkter Haftung und ihr Verhältnis zum Postulat von Herrschaft und Haftung“ (1966) zur Dr. iur. promoviert.

Mit einem Stipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft setzte Limbach ihren wissenschaftlichen Weg fort, reichte im Juli 1971 ihre Habilitationsschrift „Das gesellschaftliche Handeln, Denken und Wissen im Richterspruch“ an der FU ein und wurde hier im Januar 1972 zur Professorin für Bürgerliches Recht, Handels- und Wirtschaftsrecht und Rechtssoziologie ernannt. Seit den 1980er Jahren verlagerte Limbach ihren wissenschaftlichen Schwerpunkt auf Gleichstellungsthemen, insbesondere im Familienrecht. Sie setzte sich für mehr Gerechtigkeit zwischen den Geschlechtern ein, kritisierte bestehende rechtliche und faktische Ungleichheiten und führte eine empirische Studie zum Sorgerecht geschiedener Eltern durch.

Im April 1989 wurde Limbach Justizsenatorin in Berlin-West unter dem Regierenden Bürgermeister Walter Momper (geb. 1945). In ihre Amtszeit fiel die deutsche Wiedervereinigung: Sie verhandelte erfolgreich die Aufnahme einer Sonderregelung im Einigungsvertrag, nach der die Ost-Berliner Justizeinrichtungen vollständig von West-Berliner Einrichtungen übernommen wurden. Limbach behielt ihr Amt in der großen Koalition unter dem Regierenden Bürgermeister Eberhard Diepgen (geb. 1941) seit Januar 1991 und war verantwortlich für die Prüfung und Einstellung Ost-Berliner Richter und Richterinnen in die bundesdeutsche Justiz. Anlässlich der in Berlin stattfindenden „Mauerschützenprozesse“ wurde kontrovers diskutiert, ob die Strafverfolgung von in der DDR begangener Regierungskriminalität gegen das Rückwirkungsverbot des Art. 103 Abs. 3 GG verstoße. Limbach hielt die Aufarbeitung dieser Taten durch die ihr unterstellte Berliner Staatsanwaltschaft für geboten, da v. a. das Vorgehen gegen sog. Republikflüchtlinge im Gegensatz zu menschenrechtlichen Grundsätzen stehe, denen sich die DDR durch Unterzeichnung der Menschenrechtspakte der Vereinten Nationen verpflichtet habe. Sie setzte sich u. a. für eine ausreichende Personalausstattung der Arbeitsgruppe Regierungskriminalität bei der Berliner Staatsanwaltschaft durch Abordnungen aus anderen Bundesländern ein. Das Verfahren gegen Erich Honecker (1912–1994) endete im Januar 1993 ohne Urteil, da das Berliner Landesverfassungsgericht Honecker aufgrund seiner fortgeschrittenen Krebserkrankung für verhandlungsunfähig hielt. Nachdem bekannt wurde, dass Limbach eine diese Entscheidung kritisierende Stellungnahme der Berliner Staatsanwaltschaft mitformuliert hatte, wurde ihr vorgeworfen, die Gewaltenteilung nicht zu respektieren. Ein darauf gegründeter Misstrauensantrag im Berliner Abgeordnetenhaus erhielt keine Mehrheit. 1992 war Limbach Mitglied der Gemeinsamen Verfassungskommission zur Reform des Grundgesetzes und erreichte mit den anderen vier SPD-Landesjustizministerinnen die Verankerung eines tatsächlichen Gleichstellungsauftrags in Art. 3, Abs. 2 GG.

1994 wurde Limbach Richterin am Bundesverfassungsgericht, von September 1994 bis April 2002 war sie dessen Präsidentin. Nachdem das Gericht mit Entscheidungen z. B. zu Kruzifixen in bayerischen Klassenräumen in die öffentliche Kritik geraten war, richtete sie erstmals eine Pressestelle ein, um Entscheidungen des Gerichts der Öffentlichkeit besser zu vermitteln. Als Vorsitzende des Zweiten Senats leitete Limbach außerdem dessen mündliche Verhandlungen und Beratungen. In Limbachs Amtszeit fielen die Entscheidungen über die Verfassungsmäßigkeit von Auslandseinsätzen der Bundeswehr (BVerfGE 90, 286) – in diesem Verfahren war sie Berichterstatterin – und zu den Asylrechtsnovellierungen des Jahres 1996 (BVerfGE 94, 49; BVerfGE 94, 115 u. BVerfGE 94, 166). Während die Mehrheit im Senat die Reform uneingeschränkt billigte, veröffentlichte Limbach Sondervoten, teils mit den Richtern Bertold Sommer (geb. 1937) und Ernst-Wolfgang Böckenförde (1930–2019), worin u. a. ein strengerer Maßstab bei der Bestimmung sicherer Herkunftsländer gefordert wurde. Weitere wichtige Entscheidungen betrafen steuerrechtliche (zur Vermögenssteuer, BVerfGE 93, 121) sowie europarechtliche Fragen (zur Teilnahme Deutschlands am Europäischen Währungsraum, BVerfGE 97, 350). Außerdem begleiteten Limbach Rechtsfragen der Wiedervereinigung an das BVerfG, u. a. die Überprüfung Gregor Gysis (geb. 1948) in einem parlamentarischen Verfahren (BVerfGE 99, 19) und zur Strafbarkeit früherer DDR-Agenten und Mitarbeiter des Ministeriums für Staatssicherheit wegen deren Spionagetätigkeit (BVerfGE 92, 277).

Nach dem Ende ihrer Zeit am Bundesverfassungsgericht 2002 übernahm Limbach ehrenamtlich die Leitung des Goethe-Instituts, dessen finanzielle Grundlage sie erheblich verbesserte. Seit 2003 war sie Vorsitzende der Kommission zur Rückgabe NS-verfolgungsbedingt entzogenen Kulturguts, insbesondere aus jüdischem Besitz, die sog. Limbach-Kommission.