Bailarina desde muy temprana edad, modelo, actriz suplementaria y chica de revista de Broadway. Tras pasar por el Washington School Ballet y trabajar en el teatro es descubierta una noche por Hal Wallis quien tras verla actuar la hace trasladarse a Hollywood.

Su debut cinematográfico se dio con la película "Pero... ¿quién mató a Harry?" (1955) y no pudo empezar mejor puesto que el director de dicho largometraje fue Alfred Hitchcock quien además alabó el talento interpretativo de la actriz. De este modo se convirtió en estrella desde su primer largometraje.

Su gran expresividad le permite aparecer en los más diversos géneros con cierta facilidad: desde la comedia hasta el drama. Le gusta controlar al máximo su trabajo, es directa y en más de una ocasión ha beneficiado con su popularidad ciertas posturas políticas (sobre todo las de corte liberal). Durante algún tiempo participó en campañas electorales, primero con Robert Kennedy y más tarde con McGovern.

Entre 1971-72 produjo e interpretó una serie de televisión "Shirley's World". En esa misma década entre los años 1974-75 escribirá, producirá y co-dirigirá un documental de largo metraje sobre China, tras un viaje realizado con un grupo de mujeres. El proyecto llevó como título "The other Half of the sky: A China memoir).

En 1976 volvió al teatro con un one-women show y siete años después, en 1983 regresará a la pantalla grande para trabajar junto a Jack Nicholson en "La fuerza del cariño" de James L. Brooks, interpretación que le valió un Oscar como mejor actriz. Anteriormente había estado nominada en la misma categoría por "Como un torrente", "El apartamento", "Irma la dulce" y "Paso decisivo".

Además de actriz ha sido directora, productora y novelista; escribió dos volúmenes de memorias publicados en 1970 y en 1974. Destacó sobre todo en la comedia musical aunque quizás no le dedicó el suficiente tiempo a este género. En su momento estuvo un tanto marginada por su físico, sus manías y cierta facilidad próxima a la vulgaridad pero su desenvoltura y su buen hacer dejan un dulce recuerdo de sus trabajos.

Como dato curioso podemos destacar que es la hermana mayor del popular Warren Beaty.