Née à Brooklyn dans une famille aisée, fille d’un courtier en assurances, Gene Tierney fait son éducation dans les meilleures écoles du Connecticut puis en Suisse, à Lausanne, où elle apprend le français. Elle commence à se produire sur scène encore adolescente, rentre en 1938 aux Etats-Unis, étudie le jeu d’acteurs, et débute à Broadway. Après quelques rôles modestes, tandis que son père a mis sur pied une structure pour promouvoir sa carrière naissante, elle signe un contrat de six mois avec la Columbia. Le studio échouant à lui offrir un projet intéressant (elle rencontre tout de même à cette époque Howard Hughes, qui restera un ami fidèle), elle retourne à Broadway et remporte en 1940, à 19 ans, un succès dans The Male Animal. Repérée par Darryl F. Zanuck (qui affirma qu’elle était la plus belle femme de l’histoire du cinéma), elle signe pour la Fox et débute ainsi sur grand écran sous la direction de Fritz Lang, au côté de Henry Fonda, dans un western, Le Retour de Frank James (1940).

Dans les années suivantes, Gene Tierney tourne pour John Ford (La Route au tabac, 1941), Henry Hathaway (Crépuscule, 1941 ; China Girl, 1942), Josef von Sternberg (The Shanghai Gesture, 1941), ou retrouve Henry Fonda dans la "screwball comedy" de Rouben Mamoulian, Rings on Her Fingers (1942). On l’admire surtout à l’affiche du Ciel peut attendre d’Ernst Lubitsch en 1943, film qui marque un tournant dans sa carrière. Un an plus tard, en 1944, elle trouvera son plus grand rôle dans Laura d’Otto Preminger, lequel deviendra son réalisateur fétiche. Nommée aux Oscars l’année suivante pour Pêché mortel (1945), grand succès, cette actrice à la beauté fascinante adjoint à ses "qualités naturelles" un indéniable talent dramatique.

A l’affiche du Château du dragon de Joseph L. Mankiewicz (1946), elle retrouve ce dernier en 1947 pour L'Aventure de Mme Muir, peu après le succès du Fil du rasoir (1946). 1949 est l’année des retrouvailles avec Otto Preminger (Whirlpool - Le Mysterieux Docteur Korvo, puis Mark Dixon, détective, en 1950). Au début des années 1950 Gene Tierney est à l’affiche d'un nouveau film noir, Les Forbans de la nuit (1950) de Jules Dassin, du Gaucho de Jacques Tourneur (1952), de L'Egyptien de Michael Curtiz (1954), et croise Clark Gable dans Ne me quitte jamais (1953). La star est en outre "prêtée" à la Paramount (La Mère du marié) et à la Warner (Close to My Heart), en 1951, peu avant que le contrat avec la Fox n’arrive à expiration. Les malheurs vont commencer à frapper à la porte.

Après un mariage et une séparation douloureuse avec le couturier Oleg Cassini, la naissance en 1943 d’une fille prématurée et handicapée mentale (l’actrice ayant contracté la rubéole durant sa grossesse, dans des circonstances qui auraient inspiré The Mirror Crack'd from Side to Side à la romancière Agatha Christie), une liaison malheureuse avec le fils de l’Aga Khan en 1953 (on lui en a également prêté avec John Fitzgerald Kennedy, Tyrone Power ou Spencer Tracy), l’actrice entame une longue période de dépression, abandonne un rôle dans Mogambo (1953) à Grace Kelly, et multiplie les séjours en maison de santé, jusqu’à disparaître des écrans de cinéma à la suite de La main gauche du Seigneur d'Edward Dmytryk (1955). Son absence va durer sept années, passées entre internements, thérapies de choc et tentatives avortées de reprendre sa carrière (elle doit ainsi renoncer à Holiday for Lovers en 1957).

Gene Tierney ne fera son retour au cinéma qu’en 1962, grâce à Otto Preminger, dans Tempête à Washington. Retour éphémère : suivent un rôle dans Toys in the Attic de George Roy Hill (1963), puis, l’année suivante, une ultime apparition sur grand écran (Trois filles à Madrid, 1964). L’actrice jouera par la suite un peu (et de façon très ponctuelle) à la télévision, mais, remariée à un baron du pétrole en 1960, s’éclipse durant la totalité des années 1970, pour finalement se retirer après 1980, et la parution un an plus tôt de son autobiographie. Inoubliable Laura, Gene Tierney, souffrant d'un emphysème, s’éteint le 6 novembre 1991, à quelques jours de ses 71 ans.