Hija de un sargento del Ejército norteamericano viajó continuamente durante su infancia, desarrollándose ésta entre Alemania y Estados Unidos.
Estudió música, ballet y canto antes de entrar en la Boston University School of Fine and Applied Arts. Terminados sus estudios comenzó a trabajar en el teatro, y el prestigioso Elia Kazan la seleccionó para formar parte de la compañía del Lincoln Center, con la que actuó en varias obras.
Debutó en el cine en 1966 y solo un año más tarde consiguió su primer gran éxito, alcanzando una notable popularidad con el filme ‘Bonnie y Clyde’, por el que fue nominada al Oscar.
Demostró posteriormente la versatilidad de sus dotes dramáticas en varias películas, entre las que cabe destacar ‘Confesiones de una modelo’, que fue concebida especialmente para ella.
En 1974 fue nuevamente nominada para el Oscar correspondiente a la mejor actriz por ‘Chinatown’, y finalmente consiguió este preciado galardón en 1976 por su trabajo en ‘Network’.
En los ochenta se dedicó casi por completo a la televisión, para la que protagonizó producciones importantes, como ‘La isla de Ellis’ o ‘Cristóbal Colón’.