Edna Rae Gillooly néven, 1932. december 7-én jött világra Detroitban. 14 éves korában már dolgozott, eleinte különböző étkezdékben, majd érettségi után Texasba ment modellkedni. Ezt követően New Yorkba költözött, ahol különböző éjszakai klubokban lépett fel. 24 évesen debütált a Broadwayen és kisebb televíziós szerepléseket vállalt. Később a Lee Strasberg Actors’ Studióban tanult színészetet.
Az első jelentős szakmai elismerést Peter Bogdanovich azóta ikonikussá vált drámája, az Utolsó mozielőadás (The Last Picture Show) hozta el számára 1971-ben: Burstyn megkapta első Oscar-jelölését a legjobb női mellékszereplő kategóriában. Ezt követte egy újabb jelölés 1973-ban Az ördögűző (The Exorcist) című horrorban nyújtott alakításért, majd egy évvel később Martin Scorsesével dolgozott együtt. Az Alice már nem lakik itt-nek (Alice Doesn’t Live Here Anymore) köszönhetően Ellen Burstyn megkapta első Oscar-díját a legjobb női főszerepért.
A Jövőre veled ugyanitt (Same Time, Next Year) című romantikus komédia kapcsán kétszer is díjazták tehetségét: 1975-ben Tony-díjat nyert, majd három évvel később, az előadás filmváltozatával az Arany Glóbuszt is kiérdemelte.
A 80-as éveket követően egyre kevesebb szerepben láthattuk Burstynt, 2000-ben viszont ismét Oscarra jelölték, elismerésként Darren Aronofsky Rekviem egy álomért (Requiem For a Dream) című pszichológiai drámájában való szerepléséért. Szintén 2000-ben vált a New York-i Actors Studio drámaiskola társelnökévé.
2010 után főként sorozatokban láthattuk viszont; a Political Animals (2012) és a Kártyavár (House of Cards, 2013–2018) egy-egy Emmy-jelölést termett.
Ellen Burstyn legutóbb Mundruczó Kornél és Wéber Kata drámájában, a Pieces of a Woman-ben bukkant fel, amit a 77. Velencei Nemzetközi Filmfesztiválon mutattak be 2020-ban.
Az írás a Filmtett gyakornoki programjában készült.
