پروانه معصومی در ۱۱ اسفند ۱۳۲۳ در تهران به دنیا آمد. او از دانشکده زبان‌های خارجی دانشگاه ملی ایران فارغ‌التحصیل شد و سپس برای مدتی برای ادامه تحصیل به آلمان رفت
معصومی در آلمان با مسعود معصومی که آن زمان دانشجوی عکاسی بود آشنا شد و با هم ازدواج کردند. پس از اتمام تحصیلات پروانه معصومی به ایران بازگشتند و او از اوایل دهه ۱۳۵۰ وارد فعالیت هنری شد.
معصومی پس از انقلاب ۱۳۵۷ به فرانسه رفت. پس از بازگشت، نخستین بازی او حضور در فیلم “راه دوم” به کارگردانی حمید رخشانی بود. او در ادامه این دهه به بازیگر پرکاری تبدیل شد و علاوه بر همکاری با ناصر تقوایی در ناخدا خورشید، در فیلم‌های چهره‌های مهم نسلی از فیلمسازان که پس از انقلاب کار خود را آغاز کردند مقابل دوربین رفت. او سپس برای نقش‌آفرینی در گل‌های داوودی ، جهیزیه‌ای برای رباب و شکوه زندگی برندۀ سیمرغ بلورین بهترین بازیگر زن جشنواره فیلم فجر شد.
معصومی در دهه ۱۳۷۰ در سینما کم‌کارتر ولی در تلویزیون پرکارتر شد. دو بازی تأثیرگذار او در این دهه ناصرالدین شاه آکتور سینما به کارگردانی محسن مخملباف و مسافر ری به کارگردانی داوود میرباقری بود. این روند تا دهه ۱۳۹۰ ادامه یافت.
او که از سال ۱۳۸۰ گیلان را برای محل زندگی دائمی خود انتخاب کرده بود، بعد از سال‌ها فعالیت هنری در 6 آذر 1402 دعوت حق را لبیک گفت.