Nata a Detroit, ha fatto i più svariati lavori prima di diventare attrice: a 14 anni lavora in una mensa scolastica, dopo aver lasciato gli studi superiori va in Texas e lavora come modella, e poi a New York come showgirl nel programma televisivo "Jackie Gleason Show". In seguito lavora anche come ballerina in un nightclub di Montreal ed infine arriva sui palcoscenici di Broadway. Il suo debutto è nel 1957 in "Fair Game". Seguono poi varie apparizioni in serie televisive, ma guadagna notorietà grazie al film "Ciao Charlie" del 1964. Studia recitazione con Lee Strasberg all'Actor's Studio e la sua grande occasione arriva con "L'ultimo spettacolo" nel 1971 per cui ha la prima nomination all'Oscar. Con "L'esorcista" nel 1973 ottiene la nomination ai Golden Globe e agli Oscar. Durante la lavorazione de "L'esorcista", nella scena durante la quale la figlia posseduta la scaraventa in aria, Ellen cadde battendo violentemente il coccige e riportò una lesione permanente alla spina dorsale. Nel 1974 è Alice in "Alice non abita più qui" di Martin Scorsese, ruolo rifiutato da parecchie star, che le vale l'Oscar e il Bafta come migliore attrice. Il successo del film dà origine anche ad una fortunata serie televisiva con Linda Lavin. In seguito appare in "Stesso giorno, prossimo anno" (1978) e "Resurrection" (1980) ma anche se ottiene la nomination agli Oscar come migliore attrice per entrambi i film, negli anni Ottanta lavora più per la televisione che per il grande schermo. Ritorna sul set nel 1988 in "Hanna's war", seguito poi da "Scelta d'amore" nel 1991, "Amarsi" nel 1994, "L'impostore" del 1997, "Scherzi del cuore" del 1998 e nel 2000 con "Requiem for a dream" ottiene la nomination ai Golden Globe e agli Oscar come migliore attrice.