À l'âge de 14 ans, elle devient cuisinière dans un snack, puis danseuse dans une troupe d'acrobates. Après avoir arrêté le lycée, elle devient modèle au
Texas pour poser sur des couvertures de livres de poche et ensuite de nouveau danseuse mais cette fois-ci pour night-club de Montréal. On la retrouve plus tard à New York en tant que girl dans un show télévisé. C'est alors qu'elle se découvre des talents de comédienne. Elle fait ses débuts à Broadway en 1957 dans la pièce de théâtre Fair Game, puis dans des petits rôles de séries télévisées.
C'est en 1964 qu'elle entre véritablement dans le monde du cinéma avec le film Au revoir, Charlie. Elle perfectionne son jeu d'actrice avec
Lee Strasberg à l'Actor's Studio. Dès 1971, les succès se suivent pour Ellen qui n'a de cesse de s'améliorer et de récolter les nominations aux Oscars, Oscar qu'elle remporte en 1974 pour son interprétation d'Alice dans
Alice n'est plus ici de Martin Scorcese. En 1986, elle crée même sa propre émission de télévision : The Ellen Burstyn Show.
Pour certaines séries, elle apparaît sous le pseudonyme d'Ellen McRae.