Quedó huérfana de madre cuando tenía dos años y su padre murió 10 años después por lo que fue criada por unos familiares. Decidió hacerse actriz para combatir su extrema timidez y dio sus primeros pasos en el teatro. A los dieciocho años fue elegida entre cientos de aspirantes para estudiar en la Real Escuela de Teatro dramático (en donde también estudió Greta Garbo).

Pronto se casa y entra en la industria cinematográfica. Su película "Intermezzo" la llevó a América donde se traslada a vivir empujada por la II Guerra Mundial.

Se convierte en estrella definitiva con "Casablanca". En 1949 se marcha a Italia para rodar con Rosellini y allí surge un amor que fue condenado por el público que veía como se rompía el prototipo de "esposa y madre modelo". Tiene tres hijos con el director italiano y será una de sus gemelas, Isabella, la que sigue sus pasos. Rosellini la dirigió en seis películas. Hubo otros dos directores que marcaron su carrera cinematográfica: en sus comienzos como actriz en Suecia Gustaf Molander la dirigió en siete películas (con él, en 1935, fue proclamada mejor promesa del cine sueco). Y ya consolidada como actriz, Alfred Hitchcock, que la dirigió en tres ocasiones.

Participó en 45 películas y recibió dos Oscars en la categoría de mejor actriz por las películas "Luz de gas" (1944) y "Anastasia" (1956). También ganó un Oscar correspondiente a la mejor actriz secundaria por su trabajo en la película "Asesinato en el Orient Expres" (1974). Fue además nominada en otras tres ocasiones para el Oscar destinado a la mejor actriz, por las películas "Las campanas de Santa María" de 1945, "Juana de Arco" de 1948 y "Sonata de Otoño" de 1978.

Recibió el galardón italiano Ruban d'Argento a la mejor actriz extranjera en dos ocasiones por las películas "Stromboli" de 1951 y "Europa 51" de 1953.

También ha logrado el Emmy (Oscar televisivo) por sus trabajos en "The turn of the screw" (1959) y "Una mujer llamada Golda" (1982). Por esta última miniserie obtuvo además obtuvo además el Globo de oro correspondiente a la mejor actriz.

Una vez separada de Rosellini, el público norteamericano la perdona y le permite volver. Se casó tres veces. Los últimos años de su carrera los dedicó, sobre todo, al mundo de la televisión. Murió de cáncer un día después de cumplir 67 años.