Maureen Paula O'Sullivan est née à Boyle, dans le Comté de Roscommon, en Irlande, la fille de Mary Lovatt (née Fraser) et Charles Joseph O'Sullivan, un officier au sein des Connaught Rangers qui combattirent dans la Première Guerre mondiale. Elle est l'élève d'une école religieuse de Dublin, puis du Convent of the Sacred Heart à Roehampton, dans la banlieue de Londres (à présent la Woldingham School). L'une de ses camarades de classe est Vivien Leigh. Après un passage dans une école de bonnes manières en France, O'Sullivan retourne à Dublin et commence à travailler auprès des pauvres.
O'Sullivan est mariée une première fois au scénariste et metteur en scène John Farrow, du 12 septembre 1936 au 28 janvier 1963, à sa mort. Après un veuvage de vingt ans, elle épouse James Cushing le 22 août 1983. Ils resteront unis jusqu'à la mort de l'actrice.
Elle eut sept enfants avec Farrow : Michael Damien, Patrick Joseph,
Maria de Lourdes (Mia), John Charles, Stephanie, Prudence, and Theresa Magdalena "Tisa".
Maureen O'Sullivan meurt à Scottsdale, Arizona à l'âge de 87 ans, de complications d'une opération du coeur. Elle est enterrée dans le cimetière Most Holy Redeemer à Niskayuna, New York, ville de son premier mari.
Elle a une étoile sur le Hollywood Walk of Fame au 6541 Hollywood Boulevard.