Cyd Charisse Tula Ellice Finklea néven Texasban született, majd egészen fiatalon klasszikusbalett-oktatásban részesült Los Angelesben. Már 14 évesen a Ballet Russe tagja lett, a társulattal bejárta egész Amerikát és Európát. Celia Siderova és Maria Istromena művésznevek alatt táncolt.
Férjéül is egy táncost választott: Nico Charisse-hez 1939-ben ment hozzá Párizsban. 1942-ben megszületett fiuk, Nicky. Amikor a Ballet Russe társulata a II. világháború kitörése miatt feloszlott, Cyd Charisse visszatért Hollywoodba, ahol az MGM állandó balett-táncosa lett éppen akkor, amikor a stúdió elkezdte ontani a pompás Technicolor musicaleket.
A táncos-színésznő hét évre szóló szerződést írt alá az MGM-mel, ekkor választotta az egzotikus Cyd keresztnevet magának. Ezt követően számos filmben tűnt fel mint táncos, például az 1946-os Ziegfeld Folliesban Fred Astaire oldalán.
Charisse hamarosan elvált férjétől, majd 1948-ban hozzáment Tony Martin énekeshez, akitől szintén született egy kisfia. Nagy áttörést a 1952-ben ért el: szerepet kapott az Ének az esőben című, azóta klasszikussá vált musicalben, amelyben Gene Kelly partnereként adhatta elő a film vége felé a nevezetes Broadway Melody című számot.
Az ötvenes évek folyamán további musicalklasszikusokban tündökölt: ismét Gene Kellyvel a Brigadoon titkában és a Mindig szép az időben, illetve Fred Astaire-rel A zenevonatban és a Selyemharisnyában.
Amikor a szélesvásznú hollywoodi musicalek vesztettek népszerűségükből, Charisse a hagyományos, szöveges szerepek felé fordult, és néhány tévéshow-ban is feltűnt. 1992-ben debütált a Broadway-n a Grand Hotel című film színpadi verziójában, és szerepelt Janet Jackson 1990-es videoklipjében, az Alrightban is.
Cyd Charisse-t férje és két fia gyászolja.
