D'ascendance tchèque, elle s'appelait Marilyn Pauline Novak lors de sa naissance à Chicago. Son père était employé du chemin de fer et ex-instituteur, alors que sa mère était aussi une ex-institutrice.
Après l'obtention de son diplôme du high school américain, elle entame une carrière de mannequin pour une boutique spécialisée dans les vêtements pour adolescents. Par après, elle reçoit une bourse d'étude pour une école de mannequins, tout en continuant son métier à temps partiel. Elle a aussi occupé le poste d'opérateur d'ascenseur, de commis en magasin et d'aide-dentiste.
Après avoir vanté les mérites d'une société spécialisée dans les réfrigérateurs (elle était surnommée « Miss Deepfreeze »), elle s'établit à Los Angeles, tout en continuant son métier de mannequin. En 1954, elle apparaît pour la première fois à l'écran dans le film French Line (The french line) produit par RKO Pictures. Il met en vedette
Jane Russell et
Gilbert Roland. Le jeu de Novak, une pose dans un escalier, n'est pas mentionné.
Par contre, un agent de recrutement pour Columbia Pictures l'a remarquée et lui fait faire un essai devant la caméra. À ce moment, le responsable de studio
Harry Cohn souhaitait remplacer la star de la compagnie
Rita Hayworth. Novak est engagée pour une période de six mois. Columbia, du même souffle, souhaite une actrice qui fera compétition à
Marilyn Monroe, toutes les deux étant blondes et plantureuses. Le studio lui demande de changer son nom de scène et propose Kit Marlowe. Elle insiste pour conserver son nom de famille. Les deux parties s'entendront pour Kim Novak.
Cohn lui intime de perdre du poids, tout comme de porter un soutien-gorge. Elle suit des cours en arts dramatiques, qu'elle paie de sa poche. Son premier rôle est celui de Lona McLane dans Pushover, donnant la réplique à
Fred MacMurray et
Philip Carey. Bien que son rôle ne soit pas le meilleur, des critiques et des spectateurs sont éblouis par sa beauté. Elle vient de créer un cercle d'admirateurs.
Par la suite, elle joue une femme fatale dans Phffft!, donnant la réplique à
Judy Holliday,
Jack Lemmon et
Jack Carson. Les critiques sont bonnes. De plus en plus de personnes veulent voir cette nouvelle vedette du grand écran. Ses admirateurs lui font parvenir de nombreux courriers. S'ensuivra pour elle une suite de films à succès.
Après son rôle de Madge Owens dans Picnic (1955), où elle donne la réplique à
William Holden, Novak gagne un prix Golden Globe pour l'actrice la plus prometteuse. Elle est aussi mise en nomination par le BAFTA britannique en tant que meilleure actrice étrangère.
En 1955, prêtée à United Artists, elle joue Molly dans L'Homme au bras d'or (1955) avec
Frank Sinatra et
Eleanor Parker. Ce film remporte un grand succès. Elle donnera aussi la réplique à Sinatra dans
La Blonde ou la rousse (1957), mettant aussi en vedette
Rita Hayworth.
Sa popularité est suffisamment importante pour qu'elle fasse la page couverture du magazine Time, édition du 29 juillet 1957. Cette même année, elle fait la grève, protestant contre son salaire hebdomadaire de 1 250 USD.
En 1958, Novak joue le double rôle de Madeleine Elster et Judy Barton dans le suspense
Sueurs froides réalisé par
Alfred Hitchcock. Dans ce film, un détective privé souffrant de vertige, joué par
James Stewart, est engagé pour suivre la femme d'un ami, Elster (Novak). Il tombe amoureux d'elle, et est témoin de son suicide. Plus tard, il la reconnaît en la personne de Barton (Novak), laquelle a maintenant les cheveux bruns. Il découvrira qu'il est un pion dans une machination meurtrière.
Tout de suite après, elle est Gil Holroyd dans Adorable voisine (1958), donnant la réplique à James Stewart et Jack Lemmon dans cette comédie à propos d'une sorcière des temps modernes. Ce film est un flop au box-office.
Au début des années 1960, sa carrière est sur la pente descendante. Elle joue une vulgaire serveuse, Mildred Rogers, dans le remake L'Ange pervers (1964), basé sur un drame de Somerset Maugham. Elle donne la réplique à
Laurence Harvey et
Robert Morley, et reçoit de bonnes critiques. Dans le film de
Billy Wilder, Embrasse-moi, idiot (1964), elle démontre un bon sens de l'humour.
Dean Martin joue avec elle, mais le film est encore un flop.
Après avoir tenu le rôle titre dans les Aventures amoureuses de Moll Flanders (1965), où elle donne la réplique à
Richard Johnson et
Angela Lansbury, elle prend une pause prolongée d'Hollywood.
Elle a fait un retour dans le rôle d'une jeune actrice, Elsa Brinkmann, et d'une super-vedette de l'écran assassinée, Lylah Clare, dans Le Démon des femmes (1968) du directeur
Robert Aldrich. Elle donne la réplique à
Peter Finch et
Ernest Borgnine. Le film, produit par MGM, est un autre flop.
Après le rôle d'une faussaire, soeur Lyda Kebanov, dans The Great Bank Robbery (1969), où elle donne la réplique à
Zero Mostel,
Clint Walker et
Claude Akins, elle fait une pause de quatre ans. Elle joue le rôle, mineur d'Auriol Pageant dans la comédie d'horreur Tales That Witness Madness (1973). En 1979, elle joue Helga dans Just a Gigolo, mettant en vedette
David Bowie. Elle joue Lola Brewster dans le suspense policier
Le Miroir se brisa d'
Agatha Christie (1980). Elle donne la réplique à
Angela Lansbury,
Geraldine Chaplin,
Tony Curtis, Edward Fox,
Rock Hudson et
Elizabeth Taylor. Taylor et Novak, rivales à l'écran, se donnent des répliques mordantes. Lors d'une pause, Novak s'exclame : « Je pourrais manger une pellicule Kodak et vomir une meilleure photo! »
Au cours des années, elle a aussi fait des appartitions à la télévision. Elle est la vedette, une showgirl vieillissante, d'un film pour la télévision : The Third Girl From the Left (1973); elle joue Eve dans Satan's Triangle (1975); elle est Billie Farnsworth dans Malibu (1983); elle a le rôle de Rosa dans la série télévisée Alfred Hitchcock présente (1985); Finalement, elle s'est jointe à la distribution régulière du feuilleton télévisé Falcon Crest et est Kit Marlowe pendant la saison 1986 à 1987.
En 1991, Kim Novak stoppe sa carrière après avoir tourné dans le suspense Liebestraum, produit par MGM.