Ileana Cotrubas creció en el seno de una familia de músicos y comenzó su carrera a los nueve años cuando ingresó al coro infantil de la radio. Cuando su familia se trasladó a Bucarest en 1952, se matriculó en la Escuela Especial de Música para niños talentosos. Continuó sus estudios vocales hasta 1958 cuando, a los 19 años, fue aceptada en el Conservatorio Ciprian Porumbescu.

Seis años después debutó en la Opera de Bucarest como Yniold en Pelleas y Melisande de Debussy. Con la Opera de Bucarest expandió su repertorio hasta incluir roles como Oscar en Un Baile de Máscaras, Gilda en Rigoletto y Blondchen en El Rapto en el Serrallo.

En 1965 ganó reconocimiento internacional en Hertogenbosch, Holanda, al ganar el primer premio en ópera, lieder y oratorio en la competencia de canto local. Al año siguiente triunfó en el concurso de Munich. Esos premios más su éxito en el rol de Pamina en Bruselas condujeron a apariciones en Viena, Hamburgo, Berlín y Salzburgo, así como a un contrato con la Opera de Frankfurt. Durante los años siguientes debutó en los principales teatros europeos. En 1969 debutó en el Festival de Glyndebourne y en 1971 en el Covent Garden.

En 1970 firmó un contrato de tres años con la Opera Estatal de Viena. Durante su periodo en esa compañía, aprendió los roles de Susana en Las Bodas de Fígaro, Zerlina en Don Giovanni, Violetta en La Traviata, Mimi en La Boheme y Sophie en El Caballero de la Rosa. Su contrato le permitió cantar en el extranjero y así pudo debutar en los Estados Unidos en 1973, actuando como Mimi en la Opera Lírica de Chicago.

En enero de 1975 alcanzó fama al remplazar a Mirella Freni como Mimi en La Scala. Tuvo que viajar desde su hogar en Kent y llegó 15 minutos antes de que comenzara la función. El aplauso que siguió al aria del primer acto fue fantástico y su interpretación fue aclamada por los críticos y el público. En marzo de 1977 debutó en el Metropolitan como Mimi en una producción que también incluía a José Carreras y Renata Scotto. Retornó al Met como Gilda para una presentación televisada de Rigoletto en la temporada 1977-78 y como Violeta para actuar junto a Plácido Domingo en la temporada 1980-81.

Cotrubas es conocida por sus demandas a directores y colegas. En varias oportunidades ha abandonado producciones cuando se ha disgustado con el director escénico. Dos de esos incidentes ocurrieron en Viena en 1973 durante una producción de Eugenio Oneguin y en el Met en 1980 durante una producción de Don Pasquale.

Cotrubas se retiró de los escenarios pero mantiene una ocupada agenda de clases magistrales por todo el mundo y la preparación de otros cantantes, incluyendo la joven soprano rumana Angela Gheroghiu.