1920년 7월 5일 충청남도 천안에서 태어났다. 공주여학교를 다니다가 일본 지쿠시여학교로 전학하여 졸업하였으며, 교토여자전문학교 가사과를 졸업하고 귀국하였다.
1941년 숙명여자전문학교 조교수가 되었으며, 1942년부터 약 30년 동안 조선 왕조의 마지막 주방 상궁을 지낸 한희순(韓熙順)으로부터 궁중음식 조리법을 전수받았다. 이후 숙명여자전문학교 조교수로 재직하다 일제 말기와 한국전쟁의 혼란기에 휴직했다.
한국전쟁 후 명지대학교 교수로 복직하였고, 1959∼1967년 명지대학교와 서울대학교 교수, 1967∼1972년 한양대학교 교수, 1973∼1986년 성균관대학교 교수를 두루 역임했다.
교수활동 이외에도 1962∼1978년 문화재관리국(현, 국가유산청)의 식생활 분야 문화재 전문위원(현, 문화유산 전문위원)을 역임하였고, 1971년 궁중음식 전수기관인 사단법인 궁중음식연구원을 설립하여 이사장을 맡으면서 전통 한국음식 문화의 전수와 보급에 오로지 힘썼다.
황혜성은 이미 막을 내린 조선왕조의 마지막 왕비인 윤비를 모시는 주방 상궁 옆에서 30년간 주방 상궁이 만들던 조선조 마지막 궁중 요리를 정리하고 보존하였다. 당시는 대부분 상궁들의 기억을 통해서만 요리법이 전수되었고, 일제의 식민지 사관으로 음식에 대한 생활사의 보존 필요성도 느끼지 못할 때인데 선각자적 인식을 갖고 궁중음식을 국가의 무형유산으로 지정하여 후손에게 전수되도록 한 노력은 높이 평가받고 있다.
대표 저서로 『이조 궁정 요리 통고』(1957), 『한국의 미각』, 『한국 요리 백과사전』(1976), 『한국 음식』, 『전통의 맛』(1985), 『한국의 식(韓國의 食)』(1987), 『한국의 전통 음식』(1989), 『조선왕조 궁중 음식』(1993), 『한국 음식 대관 제6권, 궁중의 식생활』(1997)등이 있다.
황혜성 선생은 1973년에 작고한 한희순 상궁에 이어 ‘조선왕조 궁중 음식’ 제2대 기능보유자로 지정되었고, 대한민국 교육훈장 목련장(1985), 문화훈장 보관장(1990)을 수훈하였으며, 2006년 8월에는 명예보유자로 인정받았다.