1982年7月，蔡玉燕出生于广东省汕头市，她是家中独女。9岁时，就读于汕头市大华一小的蔡玉燕，被该市体校的李銮贞教练发现，进入体校开始接受正规跳水训练。由于水感很好，蔡玉燕不久就又被选入广东省体校学习，师从陈享宁教练。1992年，蔡玉燕进入广东省队，主攻跳台。
1994年，蔡玉燕进入中国国家跳水队。1997年，参加
第八届全国运动会，获得跳水女子团体冠军；同年，获得悉尼国际大奖赛冠军。1998年1月15日，第8届世界游泳锦标赛跳水赛，与陈莉搭档，获得女子双人10米台亚军；1月22日，世界杯跳水系列大奖赛澳大利亚站，以346.47分获得女子10米跳台冠军；12月10日，
1998年曼谷亚运会，以472.170分的成绩获女子10米跳台冠军；同年，获得全国女子跳台跳水冠军。1999年1月，因训练时头部受伤，未能参加世界杯赛。同年，在美国、英国、西班牙三站国际跳水大奖赛中，获得三次女双冠军和两次女单冠军。另外，她还获得全国女子跳台跳水冠军。2000年1月，第12届国际泳联世界杯跳水赛，蔡玉燕与郭晶晶、李娜、伏明霞等组队，代表中国队获得女团冠军；与郭晶晶、李娜、熊倪、田亮等组队，获得混合团体冠军；1月26日，以519.09分获得女子跳台单人跳第三名。
2001年5月8日，2001年全国跳水冠军赛暨九运预赛，蔡玉燕获得女子十米跳台第4名；8月28日，第21届世界大学生运动会女子双人十米跳台决赛，与
郭晶晶搭档，以总成绩315.45分夺得冠军；同年，宣布退役，进入中山大学中文系就读。2005年，大学毕业后，入职广东工业大学，从事行政工作，后调至广东工业大学体育学院，担任综合教研室瑜伽教师。2024年6月14日，被广东工业大学体育学院聘任为毽球甲组运动队教练员。
蔡玉燕和
孙淑伟曾在广东省跳水队，先后师从教练
胡恩勇，属同门师兄妹。1993年，在孙淑伟受伤期间，蔡玉燕陪伴在他身边，宽慰、鼓励他。在孙淑伟住院动手术时，她更是体贴照顾。2001年，两人同时退役后，正式确立恋爱关系。2003年，她和孙淑伟登记结婚。婚后，二人分居两地。直到2005年，孙淑伟调回广东工作，夫妻得以团聚。2006年，他们在广州市滨江路购置房子安家。2019年1月，她和丈夫孙淑伟带着7岁的儿子孙烨铖到张家口滑雪场滑雪。
蔡玉燕，外向活泼，善说笑话，人如其名，更适合“空中飞燕”的称呼。在
孙淑伟最低落的时候，她像一个天使始终守护在他身旁，给予他最大的安慰与鼓励。（现代快报评）