Enfant, elle apprend à skier, la natation, le patinage, ainsi qu'à jouer des instruments tel que le piano. À neuf ans, elle assiste à une représentation des Dolly Sisters et décide qu'elle veut devenir actrice. À 14 ans, elle gagne un concours de beauté local et sent que cela est son point de départ vers la star qu'elle veut devenir. En 1920, sa mère emmène Norma et sa soeur à New York, où elle les encourage à entrer dans les Ziegfeld Follies. C'est un échec, mais Norma réussit tout de même à se faire engager comme figurante dans plusieurs films, les premiers étant The Sign on the Door (1920) et The Flapper (1920). Pendant ce temps, la Metro-Goldwyn-Mayer (MGM) était déjà en train de devenir le plus grand studio de l'histoire du cinéma. Irving Thalberg assiste aux efforts de Norma et, quand il rejoint Louis B. Mayer en 1923, il lui offre un contrat de cinq ans. Norma participe à plusieurs petits films de la MGM, aucun d'entre eux n'étant considéré comme un grand film, même par la MGM. Leur seul point positif est qu'ils aident Norma à améliorer son image et son jeu d'actrice.
Son premier succès en tant qu'actrice sera le rôle de Kathi dans The Student Prince in old Heidelberg (1927). Le cinéma connaît quelques changements mais Norma n'a aucun problème à faire la transition du cinéma muet au cinéma parlant. Son premier film parlant est The Trial of Mary Dugan (1929). Quatre films plus tard, elle reçoit un oscar pour le film La Divorcée (1930). Entre-temps, elle s'est mariée avec Irving Thalberg, et beaucoup ont pensé qu'épouser son "boss" lui donnerait un avantage injuste pour obtenir de bons rôles. Il n'en est rien. Norma continua dans les rôles de rang "B". Thalberg pensait que Norma aurait dû se retirer du cinéma après leur mariage, mais elle voulait de plus grands rôles, qu'elle finit par obtenir :
The Barretts of Wimpole Street (1934), Roméo et Juliette (1936) (sa cinquième nomination à l'Oscar de la Meilleure Actrice). Malheureusement, la santé de Thalberg n'était pas bonne et il mourut d'une pneumonie en septembre 1936, à l'âge de 37 ans. Ils ont eu deux enfants ensemble. Norma voulut alors se retirer, mais la MGM la força plus ou moins à signer un sixième contrat avec eux.
David O. Selznick lui offre le rôle de Scarlett O'Hara dans Gone with the Wind (1939), mais le public s'y oppose formellement. Elle joue alors dans Femmes (1939), refuse le rôle de
Madame Miniver et se retire du cinéma définitivement après le film Her cardboard lover (1942).
Cette même année, elle se marie avec le Français Jacques Arrouge qu'elle a rencontré en Idaho. Né en 1914, il a été champion de ski et est à l'époque entraîneur. La dernière décennie de sa vie, Norma n'est pas en bonne santé ; elle meurt à la Motion Picture Country Home en Californie le 12 juin 1983.