Miss Utah en 1937, la jeune femme monte à New York pour y suivre l'enseignement de la comédienne d'origine russe Maria Ouspenskaïa, adepte des théories de Stanislavski, père de la méthode de l'Actors Studio. Après quelques années passées à cachetonner dans des troisièmes rôles, apparitions et autres silhouettes, souvent non crédités au générique, la reconnaissance vient avec son rôle de femme fatale dans un film noir, L'Enfer de la corruption,
Abraham Polonsky, 1948, aujourd'hui considéré comme un classique, avant de s'imposer dans ce genre (voir filmographie). Elle joua également beaucoup pour la télévision, notamment dans d'innombrables shows et séries populaires (Maverick, Rawhide, Bonanza, L'Incroyable Hulk, Arabesque)
Après avoir déserté les plateaux de cinéma et de télé, Marie Windsor se consacra à sa passion pour la peinture et la sculpture. En 1999, elle dut nominée par l'American Film Institute pour apparaître parmi les 50 plus grands stars du cinéma américain de tous les temps.
Elle se maria deux fois, une première fois avec Ted Steele, puis avec Jack Hupp, membre de l'Équipe des États-Unis de basket-ball de 1936, celui-ci, avec qui elle eut un fils, fut ajouté au Athletic Hall of Fame de Université de Californie du Sud en 2007. Ils sont enterrés dans l'Utah, à Marysvale.