Mannequin au début des années 1950, Ellen Burstyn apparaît également à la télévision avant d'interpréter l'un des rôles majeurs de la comédie musicale, Fair Game, à Broadway. Elève à l'Actors Studio, elle décroche son premier rôle au cinéma en 1964 dans Au revoir, Charlie, de Vincente Minnelli.
Révélée au public par le cinéaste Peter Bogdanovich dans La Dernière Séance, (1971), Ellen Burstyn s'impose ensuite dans le film d'épouvante L'Exorciste (William Friedkin, 1974), énorme succès récompensé de l'oscar du meilleur film. Deux ans plus tard, elle triomphe dans Alice n'est plus ici (1974), de Martin Scorsese, où elle incarne une femme aux rêves brisés mais volontaire. Ce type de rôle marque d'ailleurs toute sa carrière, par exemple dans Cris de femmes (Jules Dassin, 1978) et dans Resurrection (Daniel Petrie, 1980). En 1976, Alain Resnais lui confie le rôle d'une femme blessée dans Providence. Appelée à Broadway et chargée d'enseignement à l'Actors Studio, Ellen Burstyn se fait plus rare à l'écran. Elle apparaît toutefois dans Soleil d'automne (Bud Yorkin, 1985) et dans Le Patchwork de la vie (Jocelyn Moorhouse, 1996). En 2000, son interprétation d'une femme seule en proie à la déchéance dans Requiem for a Dream (Darren Aronofsky) lui vaut de nombreux prix et une citation aux Oscars. Ce film donne un nouvel essor à sa carrière. Ellen Burstyn retrouve Darren Aronofsky en 2006 dans The Fountain.
Directrice artistique de l'Actors Studio de 1982 à 1988, Ellen Burstyn s'illustre également à la télévision dans des téléfilms : Jean Harris est-elle coupable ? (George Schaeffer, 1982), Surviving (Warris Hussein, 1985) et Something in Common (Glenn Jordan, 1986). En février 2003, elle remonte sur les planches dans la pièce de Martin Tahse, Oldest living confederate widow tells all.