Soeur aînée de Warren Beatty, Shirley MacLean Beaty est à l'origine une danseuse et une chanteuse très douée. Après son bac, elle s'installe à New York, décidée à entamer une carrière dans la comédie musicale. Alors qu'elle passe une audition, le producteur ne parvient pas à prononcer son nom correctement : elle le change donc en Shirley MacLaine. En 1954, sa participation, en tant que rôle principal, à une autre comédie musicale (The Pajama Game) fait d'elle une star : Alfred Hitchcock la repère et l'engage immédiatement pour jouer dans Mais qui a tué Harry ? MacLaine enchaîne alors plusieurs rôles importants dans des comédies, musicales (Artistes et modèles, avec Martin & Lewis) ou non (La Vallée de la poudre, un étonnant western comique).
Le début de sa carrière est marqué par de nombreuses collaborations avec les membres du Rat Pack : outre Dean Martin, elle croise la route de Frank Sinatra (pour Cancan par exemple) mais aussi celle du groupe tout entier (pour une participation mineure à L'Inconnu de Las Vegas). Elle incarne également ses premiers grands rôles dramatiques, notamment dans Comme un torrent (de Vincente Minnelli, où elle partage à nouveau l'affiche avec Martin et Sinatra) et dans La Rumeur (William Wyler). Billy Wilder lui offre deux rôles importants et magnifiques dans des comédies amères et virulentes, La Garçonnière (1960) et Irma la Douce (1963), dans lesquelles son franc-parler et son style "libéré" font merveille (et scandale). Ces deux films, ainsi que le Minnelli, lui apportent chacun une nomination à l'Oscar.
Adepte des choix décalés dans des productions typiques des années 60, passant avec aisance d'un genre à un autre, elle n'oublie cependant pas sa passion première : le musical. Elle convainc ainsi les producteurs d'engager son ami le chorégraphe Bob Fosse afin de diriger l'adaptation pour le grand écran du succès de Broadway Sweet Charity, dont le scénario est co-signé par Federico Fellini. Mais loin de lui donner des ailes, le film (qui est un échec au box-office) freine sa lancée : après le western picaresque de Don Siegel, Sierra Torride, dans lequel elle partage l'affiche avec Clint Eastwood, elle disparaît quasiment des écrans. Elle ne refait surface qu'avec le drame musical de Herbert Ross, Le Tournant de la vie (1979), dont les autres vedettes sont Anne Bancroft et le danseur Mikhail Baryshnikov. Ce relatif succès, pour lequel elle est à nouveau nominée aux Oscars, combiné à celui de Bienvenue Mister Chance (le dernier film de Peter Sellers), achève de relancer sa carrière : elle se bat alors pour le rôle principal de Tendres Passions (James L. Brooks, 1983), qui lui rapporte enfin la récompense tant attendue.
Si, dans les années 80 et 90, ses apparitions au cinéma se font plus rares, émaillées de participations à des productions télévisées, son prestige reste intact. Elle joue dans de nombreuses comédies douces-amères, telles que Potins de femmes (H. Ross), Bons baisers d'Hollywood (Mike Nichols) ou encore Etoile du soir, qui s'inscrit dans la suite de Tendres Passions (sans bénéficier pour autant du même succès). Elle en impose désormais en grand-mère délurée aux côtés de stars "nouvelle génération" comme Nicolas Cage (dans Un ange gardien pour Tess, 1994) ou Nicole Kidman (dans l'adaptation de la série télévisée Ma sorcière bien aimée, en 2005).
Elle tourne ensuite à deux reprises avec Christopher Plummer (War and Destiny et Elsa & Fred), interprète une Coco Chanel vieillissante dans un téléfilm et tourne pour Richard Linklater dans Bernie. Shirley MacLaine est aussi sollicitée pour des films de Noël, parmi lesquels Un Noël paradisiaque ou Noelle avec Anna Kendrick.