Attrice e scrittrice. Nasce in Virginia, il padre, Ira Owens Beaty è professore di psicologia e filosofia e la madre Kathlyn MacLean Beaty è attrice. Tre anni dopo la nascita di Shirley, nasce il fratello Warren, che diventerà a sua volta il famoso attore hollywoodiano. Shirley viene presto spinta dalla madre nel mondo dello spettacolo: a due anni le fa prendere lezioni di danza a quattro la fa recitare in una pubblicità. A sedici anni Shirley decide di andare a New York per intraprendere la carriera di ballerina professionista. Esordisce a Broadway nel 1950 come ballerina di prima fila, ma il colpo di fortuna arriva quattro anni dopo, quando nel 1954 sostituisce Carol Haney, ballerina protagonista nel musical "Pajama Game". Questa performance le fa guadagnare un contratto cinematografico con il produttore Hal Wallis. (Lo stesso anno sposa il produttore Steve Parker dal quale avrà una figlia, Sachi. Il marito va a vivere per lavoro in Giappone ma il matrimonio dura a lungo fino al divorzio avvenuto nel 1982.) Debutta con Hitchcok in "La congiura degli innocenti" (1956). Lo stesso anno recita a fianco di Jerry Lewis e Dean Martin in "Artisti e modelle" e nel 1959 riceve un premo al Festival di Berlino con "Tutte le ragazze lo sanno". Nel 1960 interpreta "Can Can" e "L'appartamento" di Billy Wilder, che tre anni più tardi la ingaggia di nuovo per il riadattamento cinematografico di "Irma la dolce". Per entrambi i film riceve la nomination all'Oscar. Durante gli anni Sessanta si dedica meno al cinema in favore della politica, del movimento femminista e della scrittura. Pubblica il suo primo romanzo autobiografico "Don't Fall Off the Mountain" nel 1970. Nel 1971 partecipa ad un serial televisivo ("Shirley's World"). Negli anni Settanta il suo film più importante è"Oltre il giardino" (1979)ma è nel 1983 che finalmente riceve il primo Oscar per "Voglia di tenerezza" di James Brooks. Si dedica allo spiritualismo e allo studio delle teorie sulla reincarnazione, per cui lascia di nuovo il mondo dello spettacolo per un po'. Nel 1988 vi fa ritorno vincendo la Coppa Volpi alla Mostra di Venezia con "Madame Sousatzka", cui seguono i fortunati "Fiori d'acciaio" (1989) di Herbert Ross e "Cartoline dall'inferno" (1990) di Mike Nichols. Nel 1993 recita in "La vedova americana" a fianco di Marcello Mastroianni. Di nuovo l'interesse per il misticismo e la psicologia prendono il sopravvento, cosicché mette ancora da parte il cinema e si limita a partecipare prevalentemente a film per la TV.