Mary Elizabeth est une artiste née ; c'est toutefois en ballerine que se rêve d'abord la petite fille de l'Utah, qui se produit dans des spectacles locaux et décroche un stage de perfectionnement dans un programme d'été prestigieux, la Joffrey Ballet School à Chicago. Bien que talentueuse, elle doit cependant renoncer à ses aspirations une fois adolescente : trop grande pour danser, elle décide finalement de se tourner vers une carrière d'actrice et poursuit sa scolarité à la maison.

Dès lors, la jeune fille ambitieuse se consacre à sa nouvelle carrière. Après un passage éclair à Broadway dans Joseph and the Amazing Technicolor Dreamcoat, adapté au cinéma en 1999, elle multiplie les petits rôles dans des séries télévisées populaires telles que Les Anges du bonheur, avant d'obtenir celui de Jessica Benett dans le soap Passions, de 1999 à 2000. Les débuts restent difficiles, entre séries annulées et rôles peu valorisants (Wolf Lake, L'Île des insectes mutants, Checking Out). 

La persévérance de Mary Elizabeth Winstead finit par payer en 2005 avec son rôle de lycéenne super-héroïne et populaire dans L'École fantastique. Le film lui ouvre les portes du cinéma d'horreur, et on peut voir la jeune femme hurler dans The Ring 2, Destination Finale 3, Black Christmas, ou The Thing, lui valant le titre de "Scream Queen". L'actrice ne se cantonne toutefois pas à ce seul genre, et après un passage remarqué come cheerleader chez Tarantino dans Boulevard de la Mort, elle figure de plus en plus au casting de grosses productions : elle est la fille de John McClane (Bruce Willis) dans Die Hard 4 puis est l'amour de la vie de Michael Cera dans Scott Pilgrim. 

Si Mary Elizabeth Winstead doit composer avec quelques occasions manquées (Justice League, Spider-Man, The Avengers), ses performances sont toujours saluées par la critique. L'actrice est désireuse d'aventures et se lance dans le cinéma indépendant : on la retrouve dans Smashed avec Aaron Paul, dans la tête de Charles Swan III de Roman Coppola, ou encore à l'affiche de The Spectacular Now aux côtés de Miles Teller et Shailene Woodley.

Après avoir retrouvé Bruce Willis pour un nouveau Die Hard, Mary Elizabeth Winstead parvient avec l'expérience à conjuguer ses talents : elle se replonge dans l'horreur grand public avec 10 Cloverfield Lane produit par J.J. Abrams, fait un crochet par la télévision dans The Returned et BrainDead et donne la réplique aux très indépendants Paul Dano et Daniel Radcliffe dans l'extravagant Swiss Army Man.

Après avoir joué l'un des personnages principaux de la saison 3 de Fargo, aux côtés d'Ewan McGregor, Mary Elizabeth Winstead donne la réplique à Will Smith dans le film d'action Gemini Man puis rejoint Margot Robbie dans le spin-off de Suicide Squad Birds of Prey et la fantabuleuse histoire de Harley Quinn.