Shelley Duvallová pochádzala z texaského Houstonu. Vyštudovala South Texas Junior College, jej prvou hereckou úlohou bola rola v komédii Brewster McCloud, ktorá mala premiéru v roku 1970.
Počas svojej kariéry pracovala s takými významnými režisérmi, ako bol Robert Altman, Woody Allen či Stanley Kubrick. Účinkovala vo filmoch ako Zlodeji ako my, Tri ženy, Pepek námorník či Annie Hallová.
Najviac sa však preslávila úlohou v horore Osvietenie, kde stvárnila Wendy Torranceovú, manželku posadnutého spisovateľa, ktorého si zahral Jack Nicholson.
Duvallová bola za svoj výkon nominovaná na Zlatú malinu pre najhoršiu herečku, v roku 2022 ju však porota zrušila. „Neskôr sme zistili, že Duvallovej výkon bol ovplyvnený správaním sa Stanleyho Kubricka počas produkcie filmu.“ Herečka uviedla, že režisér k nej bol počas natáčania krutý a šikanoval ju.
V 80. rokoch založila vlastnú produkčnú spoločnosť Platypus Productions. Vytvorila niekoľko televíznych programov ako Faerie Tale, Tall Tales And Legends, Nightmare Classics či Bedtime Stories.
Posledným filmom, v ktorom sa objavila, bol hororový triler The Forest Hills. Práve touto snímkou sa po 20 rokoch vrátila k herectvu.
V roku 1970 sa Shelley Duvallová vydala za umelca Bernarda Sampsona, ich manželstvo však vydržalo iba štyri roky. Istý čas tvorila pár so spevákom Paulom Simonom a od roku 1989 bola vo vzťahu s hudobníkom Danom Gilroyom.
