孟怀萦从台北市立第一女中、台湾大学电机系毕业。她于1988年取得加州大学伯克利分校电机博士学位，同年即获聘斯坦福大学电机系任教。1998年，她与当时斯坦福大学工程学院院长约翰·轩尼诗共同创办Atheros通讯公司。她专精于射频与讯号处理技术发展，包括领先业界研发出第一颗全由CMOS制造的5GHz射频芯片。

2007年，她当选为美国国家工程学院院士，成为继黄桑希兰院士之后的第二位华裔工程学院女院士。孟院士与黄桑院士有许多共同之处，都是出身台湾而为全球华人及女性争光，在台湾完成大学教育，而且都是北一女中的校友。2010年，孟怀萦当选为中央研究院院士，为当届最年轻的院士。

2021年4月22日，当选为美国艺术与科学学院院士。

孟怀萦的英籍夫婿是一位地质学家，他们在喜马拉雅山认识。

孟怀萦获得许多奖项，包括加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学学院杰出校友奖（2010）

DEMO终身成就奖（2007）

电气与电子工程师协会（IEEE）Donald O. Pederson固态电路奖（2009）

McKnight脑神经科学科技创新奖（2007）

电气与电子工程师协会（IEEE）信号处理学会杰出讲师奖（2004）

麻省理工学院斯隆管理学院eBusiness年度创新奖（2002）

CIO杂志20/20 Vision Award（2002）

Red Herring杂志年度十大企业家（2001）

电气与电子工程师协会会员（1998）