Em 1965 forma o sexteto Six Sided Rockers com os irmãos Sérgio e Arnaldo Dias Baptista. Em 1966, o grupo transforma-se no trio Os Mutantes e vira atração do programa O Mundo de Ronnie Von. Em 1967 acompanha Gilberto Gil no Festival da Record com a música Domingo no Parque.
Em 1968 apresenta-se no Festival Internacional da Canção com a música É Proibido Proibir. O trio faz uma carreira relâmpago, marcada pela inovação associada ao tropicalismo que contagia a música brasileira na época.
Em 1972 acaba o relacionamento de Rita e Arnaldo, que namoravam desde 1965. Até conhecer o músico Roberto de Carvalho, seu marido, durante as gravações do disco Fruto Proibido, em 1975, Rita segue carreira solo. Em 1979, os dois lançam o primeiro disco em parceria, o álbum Rita Lee, com Mania de Você e outros sucessos.
O casal se separa musicalmente entre 1990 e 1995 e volta com o disco A Marca da Zorra. Em 1996, Rita Lee ganha o Prêmio Shell pelo conjunto da obra e três prêmios Sharp: melhor cantora, melhor show e melhor disco pop.