Mary Elizabeth Spacek néven született a texasi Quitmanben cseh és német felmenőkkel bíró család harmadik gyermekeként. Ma is használt Sissy becenevét még gyerekkorában kapta két bátyjától. A középiskola befejezése után New Yorkba költözött, ahol énekesi karrierbe kezdett. Rainbo művésznéven egyetlen kislemeze jelent meg, a John, You've Gone Too Far This Time, amely John Lennon és Yoko Ono Two Virgins című albumának botrányt keltő borítójára reflektált.
Ezt követően unokatestvére, Rip Torn segítségével beiratkozott a Lee Strasberg Színház- és Filmintézetbe. Első filmszerepét az 1972-es Színhúsban kapta Lee Marvin és Gene Hackman mellett, majd feltűnt a Love, American Style és a The Waltons című tévéfilmekben. Karrierjében a nagy áttörés 1973-ban következett be, amikor Martin Sheen mellett főszerepet játszott a Sivár vidék című Terrence Malick-road movie-ban.
1976-ban megkapta első Oscar-jelölését Brian De Palma Carrie című horrorjának címszerepében nyújtott hátborzongató alakításáért. Az akkor 26 éves Spacek olyannyira szerette volna a Stephen King azonos című regényén alapuló alkotás főszerepét, hogy a meghallgatáson matrózblúzban és hátrafésült hajjal jelent meg, így ő lehetett Carrie White minden idők egyik legjobb horrorfilmjében, olyan neveket utasítva maga mögé, mint Melanie Griffith vagy Nancy Allen.
Ezt követően Shelley Duvall partnere volt a Robert Altman által rendezett Három nőben (1977), amelyért elnyerte a New York-i Filmkritikusok Körének díját. A nyolcvanas éveket a legjobb színésznőnek járó Oscar- és Golden Globe-díjjal indította A szénbányász lánya (1980) című életrajzi filmben nyújtott alakításáért, amelyben a countryzene sztárját, Loretta Lynnt alakította. Az énekesnő maga választotta ki a szerepre a zenei múlttal is rendelkező Spaceket, akit később Grammy-díjra is jelöltek a filmben elhangzott betétdalokért. 1983-ban kiadott egy countryalbumot is Hangin' Up My Heart címmel. Az album Lonely But Only For You című dala Billboard-listás sláger lett.
1982-ben Jack Lemmonnal játszott Costa-Gavras Eltűntnek nyilvánítva című politikai thrillerében, majd Mel Gibson partnere volt A folyó (1984) című drámában, két évvel később pedig Jessica Lange mellett szerepelt a Bűnös szívekben. Mindhárom filmért jelölték a legjobb színésznőnek járó Oscar-díjra, utóbbiért pedig elnyerte második Golden Globe-ját is.
A következő évtizedben mellékszerepben tűnt fel többek közt Oliver Stone JFK – A nyitott dossziéjában (1991), Paul Schrader pszichodrámájában és a Kisvárosi gyilkosságban (1997). Ő játszotta Rose-t David Lynch Straight Story – Az igaz történet című drámájában, majd Brendan Fraser karakterének anyját a Csapás a múltból című romantikus komédiában.
Nagy visszatérése volt a 2001-ben bemutatott A hálószobában című Todd Field által rendezett dráma főszerepe. Erőteljes alakításával nemcsak a hatodik legjobb női főszereplő Oscar-jelölését, hanem a legjobb női főszereplő díját is elnyerte a Golden Globe-díj-átadón. Emellett megkapta a New York-i Filmkritikusok Köre és a Los Angeles-i Filmkritikusok Szövetsége legjobb színésznőnek járó díját, valamint a Critics' Choice Awardot.
Ezt követően Primetime Emmy-díjra jelölték Zelda Fitzgerald szerepéért Az utolsó hívás (2002) című Showtime-produkcióban, valamint az HBO-n bemutatott Hármastársak című sorozat epizódszerepéért. Emellett olyan filmekben tűnt fel, mint a Rodrigo Garcia által írt és rendezett Kilenc élet (2005), a Hollis Woods képei (2007), valamint a Lake City (2008).
2011-ben Viola Davis, Jessica Chastain és Octavia Spencer mellett szerepelt A segítség című drámában, majd Robert Redforddal az Úriember revolverrel (2018) című életrajzi krimiben. A 2022-es Sam and Kate filmkomédia érdekessége, hogy Dustin Hoffman a fiával, Sissy Spacek a lányával, Schuyler Fiskkel játszik benne együtt. Az utóbbi időben főleg televíziós szerepekben tűnt fel, többek közt A vérvonal árnyai, a Castle Rock, a Homecoming, valamint az Éjszakai ég című sorozatokban. A következő projektje a hamarosan induló Dying for Sex című minisorozat lesz, Michelle Williams és Jenny Slate oldalán.
Spacek 2011-ben kapott csillagot a hollywoodi Hírességek sétányán, következő évben jelent meg memoárja My Extraordinary Ordinary Life címmel. Jack Fisk látványtervezővel 1974-ben kötött házasságot, kapcsolatukból két lány született, a fent említett Schuyler szintén színésznő lett.
