Ellen Burstyn, avant d'avoir la carrière que l'on connait, a multiplié les jobs; elle fut ainsi cuisinière dans un snack, danseuse dans une troupe d'acrobates, modèle au Texas pour des couvertures de livres de poche, danseuses dans un night-club à Montréal, puis potiche à la télévision new-yorkaise (pour le Jackie Gleason Show, en 1952).
Elle fait ses débuts à Broadway en 1957 dans The Fair Game, se découvrant un goût (et un talent) pour la comédie sur le tard. En 1963, elle est engagée pour la série télévisée The Doctors, avant d'obtenir en 1964 un rôle dans le film Au Revoir Charlie, film qui la fera remarquer.
En 1967, elle s'inscrit à l'Actor Studio.
En 1971, elle est engagée pour jouer dans La dernière séance. Sa performance va la révéler, puisqu'on la retrouvera en lice à la fois pour l'Oscar et le Golden Globe du meilleur second rôle féminin. L'année suivante, elle donne la réplique à Jack Nicholson dans the King of Marvin Gardens.
En 1973 sort l'exorciste. Elle y tient le rôle principal, et de nouveau, elle se retrouve aux Oscars et aux Golden Globes.
Il faudra attendre l'année suivante, 1974, pour qu'enfin elle obtienne la fameuse statuette dorée. Ce sera avec le film Alice n'est plus ici de Martin Scorsese. Elle se fera d'ailleurs représenter par le cinéaste à la remise du prix. Elle remporte aussi le B.A.F.T.A. de la meilleure actrice pour ce film. Et toujours cette même année, elle obtient le Tony Award pour sa prestation à Broadway dans la pièce Même Heure, l'Année Prochaine, obtenant ainsi le Grand Schlem des récompenses. Pour l'adaptation cinématographique de la pièce, en 1978, c'est logiquement que l'on retrouve Ellen Burstyn dans le premier rôle, et c'est aussi logiquement qu'elle obtient le Golden Globe pour sa prestation.
En 1981, elle est de nouveau en lice pour l'Oscar avec Résurrection.
Les années 80 et 90 voient sa carrière se confirmer, mais sans plus jamais être citée ni aux Oscars ni aux Golden Globes. D'un autre côté, l'actrice n'a plus rien à prouver d'un point de bue artistique.
En 2000, elle joue dans le Requiem for a dream de Darren Aronofsky, ce qui lui apportera de nouveau deux citations majeures du métier, à savoir l'Oscar et le Golden Globe de la meilleure actrice. En 2006, elle retrouvera le cinéaste pour The Fountain.
En 2009, sa victoire aux Emmy Award créé la polémique, puisqu'elle gagne pour une prestation d'à peine 15 secondes à l'écran. L'Académie salue en fait sa carrière, et non pas son rôle, ce qui a suscité de nombreuses controverses quand aux façons dont les Emmy Awards sont distribués.
 
Actrice et personnalité majeure du Septième Art, Ellen Burstyn se voit confier de 1982 à 1985 la direction de l'Actor's Equity, faisant d'elle la première femme à obtenir ce poste. En 2000, avec Al Pacino et Harvey Keitel, elle se voit nommée co-présidente de l'Actor Studio.