Nata il 18 agosto 1920 nell'Illinois, ma cresciuta a New York, Shelley Winters iniziò la sua carriera come corista prima di recitare nei teatri newyorkesi. Successivamente, dopo aver studiato recitazione all'Actor's Studio di Lee Strasberg, negli anni Quaranta firmò un contratto con la Columbia per la quale recitò in numerosi piccoli ruoli, a partire da Che donna! del 1943, molti dei quali non accreditati.
Dopo un breve ritorno sui palcoscenici di Broadway, Shelley si trasformò in una donna fatale grazie alla Columbia, in titoli come Fascino, Ancora insieme e L'urlo della città. Il suo primo film importante fu nel dramma d'ambientazione teatrale del 1947 Doppia vita di George Cukor, al quale seguì Un posto al sole, accanto a Elizabeth Taylor e Montgomery Clift, un ruolo intenso che le valse una nomination agli Academy Awards.
Tra i suoi film più significativi di quegli anni si ricordano almeno la trasposizione de Il grande Gatsby, il western Winchester '73, dove fronteggia James Stewart, il musical Il canto dell'uomo solitario in coppia con Frank Sinatra, lo straordinario La morte corre sul fiume del suo maestro di recitazione Charles Laughton, dove veste i panni della moglie del mefistofelico predicatore Robert Mitchum. E poi ancora: il dramma ambientato nella Berlino degli anni Trenta La donna è un male necessario; lo spietato La sete del potere di Robert Wise e lo straziante Il diario di Anna Frank, per il quale vinse il primo Oscar come Miglior attrice non protagonista, che lei volle donare al museo dedicato ad Anna Frank ad Amsterdam.
Shelley divenne celebre anche per la sua personalità e il suo carisma, nonché per i suoi chiacchierati amori, tra cui William Holden, Burt Lancaster, Marlon Brando, Clark Gable, Sean Connery ed Errol Flynn.
Si sposò quattro volte, prima con l'uomo d'affari Paul Meyer, poi conVittorio Gassman (al quale diede una figlia, Vittoria, che oggi è un medico affermato), quindi con Anthony Franciosa e, infine, poche ore prima di morire di infarto nel 2006 convolò a nozze con Gerry DeFord.
Nonostante non fosse di aspetto particolarmente glamorous, Shelley era una delle dive più rispettate dei suoi tempi, e non si faceva problemi a dire liberamente quel che pensava. Nel 1972, durante uno show televisivo di Johnny Carson ebbe un'accesa discussione con Oliver Reed e gli rovesciò dell'acqua ghiacciata addosso.
Nel 1962 l'attrice interpretò la madre di Sue Lyon nel provocatorio capolavoro di Stanley Kubrick Lolita, quindi con la sua interpretazione della ruvida e disillusa madre nel melodramma Incontro al Central Park vinse il secondo Oscar come Miglior attrice non protagonista. Nella celebre commedia Alfie si contrappone al playboy Michael Caine, mentre nel giallo Detective's Story deve vedersela con Paul Newman.
Per L'avventura del Poseidon Shelley ricevette un'altra nomination agli Academy Awards. Tra i ruoli successivi si ricordano quelli ne Il clan dei Barker di Roger Corman, dove è una straordinaria "mamma omicidi", in Stop a Greenwich Village, nel quale è una divertente madre possessiva, nell'angoscioso L'inquilino del terzo piano di Roman Polanski, e nei film italiani Un borghese piccolo piccolo di Mario Monicelli, nei panni della moglie del protagonista Alberto Sordi, e nell'impressionante Gran Bollito di Mauro Bolognini, dove si trasforma nelle celebre serial killer "la saponificatrice di Correggio".
Persino negli ultimi anni Shelley aveva continuato la sua attività davanti la macchina da presa, cimentandosi ancora in performance degne di nota in film come l'avventuroso Delta Force, il commovente Risvegli, il satirico Buona fortuna Mr. Stone, il malinconico Dolly's restaurant e l'affresco Ritratto di signora di Jane Champion, nonché in un divertente cameo nel telefilm Pappa e ciccia, nel ruolo della madre della protagonista. La sua ultima apparizione cinematografica è stata accanto al suo ex marito Vittorio, e a suo figlio Alessandro Gassman nel film di Giulio Base La bomba.
1973 Candidatura Miglior attrice non protagonista per L'avventura del Poseidon
1966 Premio Miglior attrice non protagonista per Incontro al central park
1960 Premio Miglior attrice non protagonista per Il diario di Anna Frank
1952 Candidatura Miglior attrice protagonista per Un posto al sole
1977 Candidatura Miglior attrice non protagonista per Stop a Greenwich Village
1973 Premio Miglior attrice non protagonista per L'avventura del Poseidon
1967 Candidatura Miglior attrice non protagonista per Alfie
1963 Candidatura Miglior attrice protagonista (dramma) per Lolita
1960 Candidatura Miglior attrice non protagonista per Il diario di Anna Frank
1952 Candidatura Miglior attrice protagonista (dramma) per Un posto al sole
1955 Recitazione
1999 Recitazione
1996 Recitazione
1994 Recitazione