Mencía was de dochter van Rodrigo de Mendoza (1464-1523) en María de Fonseca y Toledo (gestorven in 1521) en groeide op in Valencia, onderricht door humanistische geleerden in o.a. Latijn en Grieks. Op haar 15de erfde ze door de dood van haar vader diens adellijke titel, wat haar een goede partij maakte voor o.a. de kleinzoon van de Hertog van Alva, die haar pretendeerde. Ze werd echter nog geen jaar later door Karel V uitgehuwelijkt aan Hendrik III (1483-1538), graaf van Nassau en Vianden en heer van Breda. Die was als weduwnaar van Claudia van Châlon, prinses van Oranje (1498-1521), sinds 1522 opperkamerheer aan het Spaanse hof. Op 27 juni 1524 werd dit huwelijk in Burgos voltrokken.
Eigen hof in Breda
Na hun huwelijk bleven Mencía en Hendrik nog tot 1529 aan het hof van de koning van Spanje wonen, waarna ze uiteindelijk naar de Nederlanden vertrokken. Daar betrokken ze afwisselend het Nassaupaleis in Brussel en het kasteel, dat de familie van Hendrik in Breda bezat. Vanaf 1535 begonnen zij permanent in Breda te wonen, waar het echtpaar talloze opdrachten gaf aan schilders, architecten en boekverluchters. In deze periode zou ook de befaamde reeks over de Nassause Genealogie op tapijten geweven worden en het kasteel herbouwd worden tot een paleis naar model van het Mendoza familiekasteel in La Calahorra (Granada), waarmee het één van de eerste renaissance-bouwwerken in de Nederlanden zou worden.
Dankzij Mencía, die zelf werken uit de klassieke oudheid in het Spaans vertaalde en o.a. werken van Jeroen Bosch verzamelde, zou het Bredase hof zich ook al snel ontwikkelen tot een centrum van wetenschap. Zo stond ze in nauw contact met hoogleraren en studenten van het Drietalencollege in Leuven. Het was ook Spaanse gravin die ervoor zorgde dat een Antwerpse prebende werd toegekend aan Erasmus’ beschermeling Conrad Goclenius.
De humanist Juan Luis Vives (1492-1540), uit Valencia, kwam bij haar aan het Bredase hof wonen. Dankzij diens boek 'De institutione foeminae christianae', uit 1524 (Over de opvoeding van de christelijke vrouw), waarin hij Mencía had geprezen om haar kennis van de klassieke talen, toonde deze belangstelling voor het debat over onderwijs aan vrouwen. Ze bezat dan ook een tapijtenreeks die vervaardigd was als eerbetoon aan geleerde vrouwen en deel uitmaakte van het toenmalige debat over de intellectuele ontwikkeling van vrouwen. Ook had ze een bibliotheek met één van de rijkste boekverzamelingen van haar tijd, waarin tevens vele werken van Erasmus in prijkten.
Terugkeer naar Spanje
Na Hendrik's dood in 1538 keerde Mencía de Mendoza terug naar Spanje, waar haar door Karel V al voor haar huwelijk een jaargeld tot haar beschikking was gesteld om de erfenis van haar gestorven man voor diens enige zoon, René van Châlon (1519-1544), veilig te stellen. Daar hertrouwde ze twee jaar later met Ferdinand van Aragón (1488-1550), hertog van Calabrië en onderkoning van Valencia. Dit nieuwe huwelijk zou echter niets afdoen aan haar bezigheden rondom wetenschap en kunsten. In 1544 stelde ze een plan op voor hervorming van de in 1514 gestichte universiteit van Valencia naar voorbeeld van het Leuvense Drietalencollege. Ze financierde er een aantal leerstoelen, onder meer in Latijnse en Griekse letterkunde, Hebreeuws en medische wetenschappen, en liet er een nieuw auditorium inrichten. Tegelijkertijd droeg ze bij aan de verspreiding van Nederlandse kunst in Spanje.
In haar laatste levensjaren leed Mencía de Mendoza aan obesitas en daardoor aan een verslechterende gezondheid. Ze zou in 1554 overlijden, slechts 45 jaar oud. In haar testament had ze een groot bedrag ter beschikking gesteld van een op te richten hogeschool in Toledo.
Nu leeft haar naam vooral voort in de vele lofuitingen van geleerde humanisten uit de 16de eeuw en van Spaanse lofredenaars. als Matamor en Maldonado, die haar prezen vanwege de schat aan geleerdheid, die ze uit de Nederlanden naar Spanje heeft gebracht. Zij vergeleken haar met de Griekse heldin Aspasia, die het ooit aangedurfd had om met Socrates te discussiëren. De Alkmaarse geleerde Petrus Nannius (1500-1557) omschreef haar als ‘het sieraad van de zestiende eeuw’.
