Ellen Burstyn lahir di Detroit, Michigan, dari pasangan Correine Marie (Hamel) dan John Austin Gillooly. Ia memiliki keturunan Irlandia, Prancis/Prancis-Kanada, Pennsylvania Dutch (Jerman), dan penduduk asli Amerika. Sebelum terjun ke dunia akting, ia bekerja berbagai pekerjaan, termasuk sebagai juru masak di gerai makan saat usia 14 tahun. Setelah lulus dari Cass Technical High School di Detroit, ia pindah ke Texas untuk menjadi model.

Setelah itu, Ellen menuju New York sebagai showgirl di The Jackie Gleason Show (1952). Ia kemudian ke Montreal sebagai penari klub malam dan akhirnya tampil di Broadway dengan debut di Fair Game (1957). Pada 1963, ia tampil di serial televisi The Doctors, tetapi namanya mulai dikenal saat membintangi Goodbye Charlie (1964). Ia kemudian belajar akting dengan Lee Strasberg di Actors Studio.

Puncak karirnya dimulai saat menjadi pemeran utama di The Last Picture Show (1971), yang membuatnya mendapatkan nominasi Golden Globe dan Oscar. Ia kemudian membintangi film-film terkenal seperti The King of Marvin Gardens (1972), The Exorcist (1973), dan Alice Doesn't Live Here Anymore (1974), yang memenangkan Oscar dan BAFTA sebagai Aktris Terbaik. Ia juga memenangkan Tony Award untuk Same Time, Next Year.

Selain itu, Ellen mendapatkan nominasi dan pujian untuk film seperti Resurrection (1980), dan tampil di berbagai acara TV serta film sepanjang 1980-an dan 1990-an, termasuk The Cemetery Club, How to Make an American Quilt, dan The Baby-Sitters Club. Ia juga menjadi presiden pertama wanita dari Actor's Equity (1982-1985), menegaskan peranannya di dunia teater dan seni peran.