Née d'un père lieutenant de l'armée américaine et d'une mère actrice dans une troupe de théâtre, Jane Russell s'intéresse dès son plus jeune âge à la musique - elle prend des leçons de piano - et au théâtre. Celle-ci souhaite dans un premier temps devenir styliste et s'inscrit à l'Université de Van Nuys en Californie. Mais à la mort de son père, en 1937, elle est obligée d'arrêter ses études. Jane Russell devient alors réceptionniste, mais poussée par sa mère, elle décide de s'inscrire aux cours d'art dramatique de la troupe Max Reinhardt, dont faisait également partie l'actrice russe Maria Ouspenskaya. Parallèlement, aux cours de théâtre, la jeune femme devient mannequin afin d'arrondir ses fins de mois. C'est ainsi qu'au début des années 40, elle est remarquée dans une publicité par Howard Hughes, qui lui fait signer un contrat la liant à lui pour 7 ans. La pulpeuse jeune femme fait alors ses débuts sur grand écran dans le western Le Banni réalisé par Howard Hughes lui-même. Mais à cause du code Hays en vigueur en 1941, la sortie du film est repoussée et celui-ci n'est diffusé qu'en 1946. Le succès est au rendez-vous et la belle croule sous les propositions.
Devenue la pin-up brune préférée des soldats américains, Jane Russell poursuit sa carrière de comédienne en incarnant en 1948 la célèbre Calamity Jane dans Visage pâle de Norman Z. McLeod. Considérée comme l'une des stars hollywoodiennes les plus sensuelles grâce à ses formes généreuses, elle reste néanmoins discrète sur sa vie privée. En 1953, elle épouse Bob Waterfield, un ancien joueur de football, avec qui elle crée la maison de production Russ-Field Productions. Le couple adopte trois enfants. Dans le même temps, Jane Russell fonde et dirige la World Adoption International Fund (Waif), un organisme chargé de trouver des parents adoptifs à des orphelins. Plus que jamais engagée dans des oeuvres caritatives, elle fonde le Hollywood Christian Group, un groupe de personnalités issues d'Hollywood, qui se réunit une fois par semaine afin d'étudier la Bible.
Tout en continuant à cultiver son image de sex symbol, Jane Russell réussit à s'imposer dans le monde du Septième art grâce à une filmographie des plus variées. D'Howard Hawks (Les Hommes préfèrent les blondes, dans lequel elle s'illustre aux côtés de Marilyn Monroe) à Raoul Walsh, pour lequel elle tourne deux films, Les Implacables, aux côtés de Clark Gable en 1955, et Bungalow pour femmes, un an plus tard, en passant par Nicholas Ray, pour qui elle est L'Ardente gitane, tous les grands metteurs en scène des années 50 se l'arrachent. Passant avec habileté d'un genre à l'autre, elle donne à deux reprises la réplique à Robert Mitchum dans les films noirs Fini de rire de John Farrow en 1951 et Le Paradis des mauvais garçons de Josef von Sternberg en 1952. Elle est également à l'affiche des westerns La Loi des Hors-la-Loi et Toute la ville est coupable sous la direction de R.G. Springsteen, et apparaît au casting du film d'aventure La Vénus des mers chaudes de John Sturges. Parallèlement à cela, Jane Russell se lance dans la chanson et s'illustre dans plusieurs comédies musicales. En 1967, elle divorce de son premier mari et épouse Roger Barrett, mais celui-ci décède précipitamment deux mois et demi après leur mariage. Après un dernier long métrage cinématographique, La Loi du Talion (1970), tourné sous la direction de Robert Clouse, Jane Russell décide de mettre fin à sa carrière d'actrice pour se consacrer entièrement à l'association WAIF et à sa famille.