Elle est née Gene Eliza Tierney à Brooklyn, New York, fille d'Howard Sherwood Tierney et de Belle Lavina Taylor. Elle était entourée d'un grand frère, Howard Sherwood "Butch" Tierney, Jr., et d'une petite soeur, Patricia "Pat" Tierney. Son père était un prospère courtier en assurance d'origine irlandaise, sa mère une ancienne professeur de gym.
Tierney étudia à la St. Margaret School de Waterbury et à la Unquowa School de Bridgeport dans le Connecticut. Son premier poème, intitulé "Night" (Nuit), fut publié dans le journal de l'école, et l'écriture en vers sera un passe-temps occasionnel tout au long de sa vie. Elle passa alors deux ans en Europe notamment pour étudier dans l'école privée de Brillantmont à Lausanne en Suisse, où elle apprit à parler couramment le français.
Elle retourne aux Etats-Unis en 1938 et s'inscrit à l'école de Miss Porter. En voyage sur la côte ouest, elle visite les studios de la Warner Bros., où elle fut interpellée par Anatole Litvak qui, ébloui par sa beauté, lui conseilla de devenir actrice (sa phrase exacte - "Mademoiselle, vous devriez faire du cinéma" - deviendra le titre des mémoires de Gene). La Warner voulut lui faire signer un contrat, mais ses parents la découragèrent en pointant le bas salaire.
Son bal de débutante eut lieu le 24 septembre, elle avait dix-sept ans, mais elle s'ennuya vite de la vie en société et décida de tenter une carrière d'actrice. Son père déclara « Si Gene doit être actrice, ce sera dans un théâtre convenable ». Tierney auditionna alors pour l'American Academy of Dramatic Arts à New York et fut acceptée. Parmi les autres talents notables de l'époque ayant fréquenté ce conservatoire figurent Katharine Hepburn, Spencer Tracy, Grace Kelly et Lauren Bacall.
Tierney se maria deux fois. Son premier mariage l'unit au costumier et styliste Oleg Cassini le 11 juillet 1941. Ils eurent ensemble deux filles : Antoinette Daria Cassini (née le 15 octobre 1943) et Christina "Tina" Cassini (née le 19 novembre 1948).
En juin 1943, alors enceinte de sa première fille, elle contracte la rubéole au cours de son unique visite à l'Hollywood Canteen. Daria est née prématurément à Washington, D.C., ne pesant qu'un kilo et demi et nécessitant une complète transfusion sanguine. Du fait de la rubéole de sa mère, Daria était également sourde, partiellement aveugle, et retardée mentalement. Le désarroi de Tierney la mena à des années de dépression et peut avoir causé son syndrome maniaco-dépressif.
Cet épisode douloureux de sa vie a partiellement inspiré la romancière Agatha Christie, qui a repris, dans son roman Le miroir se brisa, le thème de l'actrice célèbre anéantie au sommet de sa gloire par les conséquences tragiques de cette maladie. L'incident est quasiment repris mot pour mot dans l'histoire du livre, la tragédie de l'actrice ayant été médiatisée depuis des années. À cette époque, Howard Hughes, un vieil ami, veilla à ce que Daria reçut les meilleurs soins possibles, payant pour toutes les dépenses médicales. Tierney n'oublia jamais la générosité de Hughes.
Tierney se sépara de Cassini, vivant mal l'état de sa fille handicapée, mais ils se retrouveraient plus tard et auraient une seconde fille, Tina. Pendant cette séparation, Tierney vécut deux rencontres. La première impliqua Tyrone Power, avec lequel elle partageait l'affiche de Le Fil du rasoir (The Razor's Edge). Cette liaison prit fin au printemps 1946. Pendant le tournage de Le Château du Dragon (Dragonwyck), elle rencontra le jeune
John F. Kennedy en visite sur le plateau. Ils entamèrent une idylle qui se termina l'année suivante lorsque Kennedy lui avoua qu'il ne pourrait jamais l'épouser du fait de ses ambitions politiques. Tierney se réconcilia alors avec Cassini, mais ils divorcent tout de même le 28 février 1952. En 1960, Tierney envoya à Kennedy un message de félicitations pour son élection bien qu'elle ait ultérieurement admis avoir voté pour Richard Nixon pensant qu'il ferait un meilleur président.
La galerie de ces échecs sentimentaux ne serait pas complète sans le prince Ali Khan, grand connaisseur de femmes. Mais leur liaison, sérieuse, prit fin lorsque le père de celui-ci, l'Aga Khan, s'opposa formellement à leur mariage - Ali Khan, déjà divorcé de Rita Hayworth, en tant qu'autorité morale et religieuse, ne pouvait épouser deux stars d'Hollywood...
En 1958, elle rencontre le baron du pétrole texan W. Howard Lee, qui fut marié à Hedy Lamarr de 1953 à 1960. Tierney et Lee se marient à Aspen le 11 juillet 1960 et s'établissent à Houston. Elle aima la vie texane avec Lee et devint une joueuse experte de bridge. En 1962, la 20th Century Fox annonce qu'elle jouera le premier rôle dans Les lauriers sont coupés (Return to Peyton Place), mais sa grossesse l'écarte du projet. Elle fera une fausse couche.
Son autobiographie, Mademoiselle, vous devriez faire du cinéma (Self-Portrait), dans laquelle elle évoque simplement sa vie, sa carrière et ses souffrances mentales, fut publiée en 1979.
Le 17 février 1981, son mari Lee meurt d'une longue maladie. Tierney meurt en 1991 peu avant son 71ème anniversaire d'emphysème à Houston. Elle commença à fumer après la projection de son premier film pour rendre sa voix plus grave car "Ma voix était celle d'une Minnie en colère." Elle fuma beaucoup, ce qui peut avoir contribué à sa mort. Elle est enterrée aux côtés de Lee, dans le cimetière Glenwood situé à Houston au Texas.
Pour son premier rôle à Broadway, elle portait un seau d'eau sur la scène de What a Life! (1938). Le critique du Variety écrivit : « Miss Tierney est sans doute la plus jolie porteuse d'eau que j'aie jamais vue ! » À la même époque, elle fut considérée pour The Primrose Path (1938). L'année suivante, elle joue le rôle de Molly O'Day dans la production Mrs. O'Brien Entertains (1939), ce qui lui valut ce commentaire élogieux de Brooks Atkinson dans le New York Times « Miss Tierney est rafraîchissante et d'une spontanéité désarmante ». Cette même année, Gene interprète Peggy Carr dans Ring Two (1939), recueillant de bonnes impressions. Le critique de théâtre Richard Watts écrivit : « Je ne vois aucune raison pour laquelle Mrs. Tierney ne fasse pas une carrière théâtrale intéressante, au cas où le cinéma ne la kidnapperait pas. »
Le père de Gene Tierney monta la société Belle-Tier afin de promouvoir la carrière d'actrice de sa fille (il finira par lui voler tout son argent). Columbia Pictures la signa pour six mois en 1939. Elle rencontra également Howard Hughes, qui tenta en vain de la séduire, car la fortune du producteur n'impressionnait pas la jeune fille de bonne famille qu'elle était. Ils devinrent cependant des amis proches pour la vie. Un caméraman lui conseilla de perdre un peu de poids en lui disant qu'« un visage fin est plus séduisant. » Elle commencera ainsi un régime recommandé par Harper's Bazaar, qu'elle suivra durant vingt-cinq ans.
La Columbia Pictures ne lui trouvant aucun rôle, elle repartit pour Broadway et incarna Patricia Stanley dans la pièce au succès critique et commercial The Male Animal (1940). Brooks Atkinson écrivit dans The New York Times : « Tierney resplendit dans la meilleure performance qu'elle ait jamais donnée. » Elle fut ainsi la sensation de Broadway avant son vingtième anniversaire.
Tierney fut également mannequin entre ses apparitions sur la scène. Ses photos sont notamment parues dans Life, Harper's Bazaar, Vogue et Collier's Weekly.
Engagée par la Fox, Gene Tierney devient une des principales stars de la firme, qui compte également à l'époque des actrices comme Linda Darnell, Debra Paget (qui occupent des emplois exotiques semblables à ceux de Tierney), la flamboyante Maureen O'Hara, Jeanne Crain ou encore Anne Baxter.
Elle débute sous les auspices de Fritz Lang dans un western avec Henry Fonda, puis travaille avec John Ford et Henry Hathaway. Elle trouve son premier rôle important dans Shanghai Gesture (1941) de Josef von Sternberg et devient la partenaire de Tyrone Power dans le film d'aventures Le Chevalier de la vengeance (1942). Malgré un personnage quelque peu en retrait,
Le Ciel peut attendre (1943), comédie fantastique d'Ernst Lubitsch, impose durablement sa beauté émouvante et distante à la fois. Juvénile et raffinée, elle peut incarner aussi un modèle américain idéal, comme Grace Kelly, autre star issue d'un milieu bourgeois, mais avec une fragilité supplémentaire.
C'est ensuite Otto Preminger qui lui procure en 1944 son rôle le plus mythique,
Laura, personnage qui, même absent, obsède l'enquêteur du film, incarné par Dana Andrews - le réalisateur la dirige ensuite dans deux autres films noirs. Joseph Mankiewicz prend la relève avec Le Château du dragon (1946) et surtout L'Aventure de Mme Muir (1947) face à Rex Harrison, aventure sentimentale et fantastique qui donnera lieu à une série plus tard. Tierney, au sommet de sa gloire, tourne avec Rouben Mamoulian, William Wellman, Henry King et Edmund Goulding. Sa composition de femme possessive et meurtrière dans Péché mortel (1945) lui vaut même une nomination à l'Oscar.
Après 1950, sa carrière marque un peu le pas. Si son emploi sacrifié dans Les Forbans de la nuit, où elle est une présence quasi maternelle pour Richard Widmark, marque encore les esprits, ses essais dans la comédie - La Mère du marié (1951) de Mitchell Leisen et Sur la Riviera (1952) avec Danny Kaye - ne sont guère concluants. Elle continue cependant de travailler avec des réalisateurs importants : Jacques Tourneur, Clarence Brown, Delmer Daves, Edward Dmytryk, qui lui donnent pour partenaires Spencer Tracy, Clark Gable et Humphrey Bogart... Elle apparaît aussi dans un péplum, L'Égyptien de Michael Curtiz d'après Mika Waltari, en rivale de Jean Simmons et Daliah Lavi. Mais les grands rôles de Gene Tierney sont derrière elle.
De graves ennuis de santé l'éloignent de son métier. Elle va être internée pour problèmes mentaux, subira des électrochocs, reprendra contact avec la vie en société en travaillant dans un magasin où les touristes viendront voir "la folle de Hollywood"...
Gene Tierney effectue son retour en 1962 grâce à son mentor Otto Preminger dans Tempête à Washington (sa dernière apparition notable) et interprète quelques autres films. Par la suite, elle se contente de deux apparitions télévisées et se retire entre temps avec son mari Howard Lee.