A Minnesota állambeli Cloquet-ban született. Gyermekkora zaklatottan telt, ügynök apjával csaknem húsz alkalommal költöztek. Két évig művészeti tanulmányokat folytatott a minnesotai egyetemen, hamarosan azonban nemcsak az intézménynek, hanem Amerikának is hátat fordított. Párizsba költözött, ahol táncolni tanult, színiórákat vett, és fellépett az Opéra Comique színpadán. New Yorkba visszatérve pincérkedett, modellmunkákat vállalt, és színészi karrierjét építgette.
Dino de Laurentiis olasz producer 1976-ban főszerepet osztott rá a felújított King Kongban, Jeff Bridges partnereként. Bár az áttörés elmaradt, és a közönség emlékezetében leginkább úgy maradt meg, mint „az idióta szereplők között a lengén öltözött, visítozó szőkeség”, a külföldi kritikusoktól megkapta az év felfedezettjének járó Golden Globe-díjat. A következő lehetőségre három évet kellett várnia, ezalatt képezte magát, és kapcsolatokat épített a szakma nagyjaival. 1979-ben Bob Fosse nekiadta a halál angyalának szerepét Mindhalálig zene című filmjében – játéka immár jóval lelkesebb fogadtatásban részesült; a rendezővel egy időre magánéletét is összekötötte.
1981-ben emlékezetes alakítást nyújtott Jack Nicholson partnereként A postás mindig kétszer csenget című, akkoriban nagy botrányt kavart filmben, amelyben izzó érzékiségű házasságtörő pincérnőt formált meg – Lange és Nicholson szenvedélyes szerelmi kettőse a konyhaasztalon bekerült a filmtörténetbe. A következő év fordulópontot hozott pályafutásában: Sydney Pollack Aranyoskám című vígjátékában egy tévésorozat bájos színésznőjét, a női ruhába bújt Dustin Hoffman szerelmét alakította, míg a komor hangvételű Frances című drámában Frances Farmer színésznő tragédiákkal teli életét elevenítette fel a sikertől az idegösszeomlásig. 1982-ben azon kevesek egyike lett, akiket ugyanabban az évben két szerepért is Oscar-díjra jelöltek: a Francesért a legjobb főszereplő, az Aranyoskámért a legjobb mellékszereplő kategóriában, és bár ő maga a drámát értékelte többre, a díjat a másik alakításáért vihette haza.
Játszott családi mesében (Farmerek közt), az Édes álmokban Patsy Cline countryénekesnőt formálta meg úgy, hogy még énekelni sem tudott, a Costa-Gavras rendezte, Berlinben Arany Medvével díjazott Zenedobozban egy háborús bűnökkel vádolt magyar–amerikai emigráns lányát alakította. Mindhárom filmért Oscar-díjra jelölték. A filmvilág legrangosabb kitüntetését másodszor a Kék ég (1994) című drámáért kapta meg, amelyben egy mániás depressziós katonafeleség bőrébe bújt Tommy Lee Jones partnereként.
Míg pályája első felében veszélyes és szeszélyes nőként skatulyázták be, a kilencvenes évektől érett asszonyokat, erős jellemű családanyákat alakít (A rettegés foka, Rob Roy, Ezer hold). Emellett feltűnt kosztümös Shakespeare-adaptációban (Titusz), filmdrámákban (a Tim Burton rendezte Nagy halban, illetve Wim Wenders Kívül tágasabb című alkotásában) és vígjátékokban egyaránt (Jim Jarmusch Hervadó virágok című filmjében vagy Az utolsó akkordban, amelynek egyik forgatókönyvírója Bob Dylan volt, álnéven).
Színpadi és televíziós szerepeket is szívesen vállal. 1985-ben a Macska a forró bádogtetőn című Tennessee Williams-dráma televíziós változatában alakította a női főszerepet, partnere Tommy Lee Jones volt. A Broadway-n A vágy villamosában debütált 1992-ben Alec Baldwin partnereként – Blanche szerepét néhány évvel később egy tévéfilmben és egy londoni színházban is eljátszotta. Az idén visszatér a Broadway-re, ahol Paula Vogel Pulitzer-díjas kortárs amerikai író Mother Play című darabjában lép színpadra.
Az utóbbi években leginkább a tévéképernyőn láthatják a nézők, és három alkalommal is átvehette a rangos Emmy-díjat: 2009-ben és 2014-ben főszereplőként (Két nő – egy ház, Amerikai Horror Story), 2012-ben pedig mellékszereplőként díjazták. Szerepelt A politikus című televíziós sorozatban, 2022-ben pedig Neil Jordan instruálta a kamera mögül az 1930-as években játszódó Marlowe című krimiben, amelyben Liam Neeson és Diane Kruger partnereként játszott.
Lange öt Golden Globe-díj birtokosa, az elsőt még pályája elején a King Kongért, a legutóbbit pedig 2012-ben az Amerikai Horror Storyért kapta. 2018-ban a Viszály című tévésorozatban nyújtott alakításáért – a legendás hollywoodi színésznő, Joan Crawford megszemélyesítéséért – tizenhatodik alkalommal nominálták a Golden Globe-, tizedik alkalommal pedig az Emmy-díjra (a Farmerek között után ebben a színészi mellett produceri szerepet is magára vállalt). 2016-ban a színházi Oscarnak nevezett Tony-díjjal is elismerték a Hosszú út az éjszakába című O’Neill-drámában nyújtott alakításáért (ugyanezért a szerepért 2000-ben Angliában Laurence Olivier-díjra jelölték).
Lange 1970 és 1981 között Paco Grande spanyol fotográfus felesége volt, a házasság felbomlása után született első gyermeke, akinek apja Mihail Barisnyikov balett-táncos. 1982-ben a Frances forgatásán ismerkedett meg Sam Shepard színész-forgatókönyvíróval, akivel további három közös filmet forgattak (Farmerek között, Bűnös szívek, Kívül tágasabb). A pár több mint két és fél évtizedig élt együtt, kapcsolatukból egy fiú és egy lány született. A színésznő a UNICEF jószolgálati nagyköveteként is dolgozik. Szabadidejében szenvedélyes fotós, több önálló albumát is kiadták. Tavaly életrajz jelent meg róla.
