Mary Elizabeth Winstead, qui est la petite cousine d'Ava Gardner, s'est découvert très tôt un goût pour la comédie et la danse classique. Ainsi, enfant, elle apparaît dans le ballet casse-noisette du Mountain West Ballet. En 1996, elle s'inscrit au cours de ballet de Joffrey Ballet de Chicago. Elle y étudie le ballet et la danse jazz. Mais finalement, elle préfère devenir actrice.
A 13 ans, elle fait ses débuts à la télévision, en apparaissant dans des séries comme Les Anges du bonheur, puis dans la série Passions (entre 1999 et 2000), où elle tient un rôle plus important. Puis, en 2001-2002, elle joue dans la série fantastique Wolf Lake. Elle joue ensuite dans le téléfilm L'île des insectes mutants.
Au cinéma, elle tient un petit rôle dans le Cercle 2 et joue un rôle de premier plan en 2005 dans L'Ecole fantastique, un film produit par Disney. Elle se fait remarquer par James Wong et Glen Morgan qui l'engagent pour tenir le premier rôle dans Destination Finale 3. Elle revient travailler pour les deux compères l'année suivante pour Black Christmas, mais à condition de ne pas jouer le rôle principal (la jeune fille a peur de se retrouver cataloguer dans un genre). La même année elle joue pour Emilio Estevez dans le biopic Bobby, un film qui ne connait qu'un succès d'estime, mais où se frotte à des pointures comme Laurence Fishburne, Anthony Hopkins, Ashton Kutcher, Demi Moore, ou bien encore Sharon Stone, elle même jouant essentiellement avec Shia LaBeouf et Brian Geraghty.
En 2007, elle se fait enfin connaître du grand public en jouant pour Quentin Tarantino dans son segment du film concept Grindhouse: Boulevard de la Mort. L'année suivante, elle intègre le casting de Die Hard 4: Retour en enfer.
En 2008 elle joue dans Dancing Girls, un film qui ne peut que lui rappeler ses années de dance classique. Le film, qui sort directement en DVD, est un flop.
En 2010, elle tient le premier rôle féminin du Scott Pilgrim d'Edgar Wright.
En 2011, elle est en tête d'affiche de The Thing de Matthijs van Heijningen Jr., remake du classique de John Carpenter.