Molly Helen Shannon est la fille de Peg, institutrice et de James F. Shannon, directeur commercial. Mais à l'âge de 4 ans, elle est impliquée dans un accident de voiture où périssent sa mère, âgée de 34 ans, sa soeur de 3 ans et un cousin âgé de 25 ans. Shannon a été scolarisé au St. Dominic School et Hawken School dans l'Ohio. En 1983, elle est diplômée de la Hawken School de Chesterland, dans l'Ohio et où elle était dans la même classe que l'actrice Greer Goodman, puis elle est diplômée de l'Université de New York, en 1987.
Si elle débute sa carrière d'actrice en 1989 où elle incarne le (petit) rôle de la Meg "contemporaine" dans le film d'horreur Le Fantôme de l'Opéra qui connaît un bon succès, c'est dans le registre de la comédie qu'elle va se faire connaître du grand public. En 1995, elle apparaît à la télévision dans le célèbre Saturday Night Live où elle devient célèbre en interprétant divers rôles jusqu'en 2001, notamment Mary Katherine Gallagher (rôle qu'elle reprend dans le film
Superstar en 1999), qui est son personnage le plus connu, et Helen Madden. Entre-temps, elle est apparue en 1997 dans le clip de la chanson A Change Would Do You Good interprétée par Sheryl Crow.Durant la période où elle apparaît dans le Saturday Night, elle participe à deux films inspiré de sketches ou personnages du show : Une nuit au Roxbury et
Superstar (dont elle est la co-scénariste), mais également dans d'autres films comme Happiness et Mafia Blues.
Après son départ du SNL, elle enchaîne des apparitions au cinéma dans Le Grinch, avec Jim Carrey, Osmosis Jones, partageant la vedette avec Bill Murray, American Splendor,
Ricky Bobby : roi du circuit et Marie Antoinette et Scary Movie 4. En 2007, elle obtient le rôle principal, celui d'une secrétaire qui voit sa vie changer de manière inattendue après la mort de son chien, dans le film Year of the Dog, qui est acclamé par la critique.
Ensuite, elle participe notamment à la série Pushing Daisies, obtient le rôle principal dans Kath & Kim, adaptation d'une série australienne et a prêté sa voix à un personnage du film d'animation Igor.
En 2003, elle rencontre l'artiste Fritz Chesnut, qu'elle épousera le 29 mai 2004, avec qui ils ont deux enfants : une fille, Stella, née le 28 septembre 2003 et un garçon, Nolan, né le 15 mars 2005.