A Virginia állambeli Richmondban született Shirley MacLaine Beaty néven (keresztneve tisztelgés a híres gyerekszínész, Shirley Temple előtt), öccse a szintén Oscar-díjas színész-rendező Warren Beatty. Szinte előbb tudott táncolni, mint járni, egész kiskorától balettezett, a tánc annyira magával ragadta, hogy egyszer törött bokával táncolta végig az előadást. Idővel nyilvánvaló lett, hogy magassága miatt soha nem lehet balerina, ő mégis ragaszkodott a szerepléshez. Csatlakozott a középiskolai pomponlánycsapathoz és a színjátszó körhöz, az egyik szünidő alatt a Broadway egyik színházában volt kartáncos. Érettségi után visszatért a színpadra, immár elhagyva nevéből a Beaty tagot.
Élete úgy alakult, mint a mesében: egy darabban a főszereplő megsérült, neki kellett beugrania, és a nézőtéren éppen ott ült Hal B. Wallis producer, aki azonnal szerződtette a Paramount Pictures vállalathoz. A filmvásznon 1955-ben Alfred Hitchcock Bajok Harryvel című filmjében debütált, amely remek alkalom volt tehetsége megcsillantására – pezsgett, tiszteletlen volt és csábító, alakításáért 1955-ben megkapta az év felfedezettjének járó Golden Globe-díjat.
A következő évben hindu hercegnőt játszott a Nyolcvan nap alatt a Föld körül című Verne-regény filmváltozatában, 1958-ban pedig már Oscar-díjra jelölték a Rohanva jöttek című alkotásban. A Vincente Minnelli rendezte film, amelyben partnere Frank Sinatra volt, találóan adta vissza egy kor hangulatát és a háború utáni „elveszett nemzedék” életérzését.
Két évvel később ismét esélyes volt az Oscar-díjra a Legénylakás című, Billy Wilder rendezte komédiában Jack Lemmon oldalán nyújtott alakításáért, de a kitüntetést végül Elizabeth Taylor halászta el előle a Modern kaméliás hölgy (Butterfield 8) című alkotásért, míg ő egy újabb Golden Globe-, valamint a brit filmakadémia BAFTA-díjával vigasztalódhatott.
Wilder 1961-es, A gyerekek órája (Végzetes rágalom) című filmdrámájában egy tanárnő szerepét osztotta rá, akit egy lánytanítványának ármánykodása miatt elbocsátanak. A keletkezésének idejében merész témájúnak számító filmben a másik tanárnőt Audrey Hepburn alakította. A forgatáson kívül is jó barátnők lettek. Volt egy megállapodásuk, hogy Hepburn megtanítja MacLaine-t öltözködni, MacLaine pedig Hepburnt káromkodni, de egyikőjük sem járt sikerrel. 1963-ban az Irma, te édes című filmben újra együtt dolgozott Jack Lemmonnal és Billy Wilderrel, jutalma egy újabb Golden Globe-díj volt. 1967-ben Vittorio de Sica olasz rendező megkeresésére elvállalta A nő hétszer című felhőtlen komédia főszerepét, amelyben Peter Sellersszel és Michael Caine-nel játszott együtt.
MacLaine 1972 és 1977 között nem filmezett, inkább utazgatott. Bejárta Kínát, Kubát, Pakisztánt, Indiát és Japánt (japánul kiválóan beszél), az általa rendezett Az ég másik fele: Kínai emlékirat (1975) című dokumentumfilmjéért Oscarra jelölték. 1976-ban a Gypsy in My Soul című tévéfilmért Emmy-díjjal tüntették ki. A filmvászonra visszatérve az 1977-es, Fordulópont című drámában visszavonult balett-táncosnőt alakított, a szerepbe saját élettapasztalata alapján teljesen bele tudott helyezkedni.
A csúcsra 1983-ban a Becéző szavak című filmmel ért fel, amely meghozta számára a filmszakma legnagyobb elismerését – hatodik nominálását díjra válthatta, és átvehette az Oscar-díjat a legjobb női főszereplő kategóriában. Öt évvel később újabb Golden Globe-díjat kapott a Madame Sousatzka című zenés darabért. 1989-ben az Acélmagnóliákban Julia Roberts oldalán egy állandóan rosszkedvű és folyvást gyanakvó idősödő nőt játszott, bevallottan nagy élvezettel.
2000-ben rendezőként is bemutatkozott a Bruno című filmmel, amelynek hőse egy kisfiú, aki nem tud és nem is akar olyan lenni, mint a többiek.
MacLaine túl a hetvenedik évén is keresett maradt, korának megfelelően idősödő asszonyokat játszott a Földre szállt boszorkányban vagy az Azt beszélik című vígjátékban, 2008-ban a koros Coco Chanelt alakította a divattervezőnő életéről készült filmben. Szerepet vállalt a Downton Abbey brit tévésorozatban is, majd a Ben Stiller rendezésében és főszereplésével készült Walter Mitty titkos élete című romantikus kalandfilmben láthatta a közönség. 2016-ban a Wild Oats című vígjátékban sziporkázott Jessica Lange és Demi Moore oldalán. Egy évvel később Az utolsó szó című alkotásban egy nyugdíjba vonult kemény üzletasszony ruháját vette magára. Legutóbbi filmjét (American Dreamer) néhány hete mutatták be az amerikai mozikban.
MacLaine mozgalmas, de botrányoktól mentes magánéletéről tudni, hogy még pályakezdőként ment hozzá Steve Parker rendező-producerhez, akitől egy lánya született. Szerelmei hosszú sorában számos híresség szerepel, érdekes módon azonban Jack Lemmon és Jack Nicholson, akik mellett élete legjelentősebb szerepeit játszotta, kimaradtak a sorból.
Számtalan kitüntetése közt húsz jelöléséből hat alkalommal vehette át a Golden Globe-díjat, 1999-ben a Berlinalén tiszteletbeli Arany Medve-díjjal honorálták életművét, s az egyetlen színésznőként két alkalommal – 1959, 1971 – is elismerték a legjobb színésznőnek járó Ezüst Medve-díjjal. 2011-ben megkapta a francia Becsületrendet, 2012-ben az Amerikai Filmintézet, a következő évben a Kennedy Center életműdíját vehette át. 1960 óta csillaga díszíti a hollywoodi Hírességek sétányát.
