Comincia la carriera artistica a diciassette anni quando, dopo aver preso lezioni di danza e di recitazione, entra alla American Academy of Dramatic Arts di New York, prendendo momentaneamente il nome d'arte di Anne Marno. Ventunenne, debutta a Hollywood nel film La tua bocca brucia (1952), con Marilyn Monroe e Richard Widmark. Il cinema però sembra non soddisfarla, così torna al teatro. Dopo aver frequentato l'Actor's Studio, nel 1958 debutta a Broadway nello spettacolo Due sull'altalena, al fianco di Henry Fonda, per cui si guadagna un Tony Award. L'anno seguente è di nuovo sul palcoscenico nel ruolo dell'insegnante che cerca di aiutare una bambina cieca e sordomuta in Anna dei miracoli. Nel 1962 viene chiamata  a ripetere la sua performance nell'omonima trasposizione cinematografica della piece; la sua interpretazione le fa guadagnare nel 1963 un premio Oscar e un BAFTA quale attrice internazionale dell'anno. L'anno successivo, con l'interpretazione in Frenesia del piacere (1964) vince il secondo BAFTA. Lavora in altri film come La vita corre sul filo (1965), qui al suo esordio dietro la macchina da presa, e Missione in Manciuria (1966). Nel 1967 viene chiamata come protagonista del film Il laureato , in cui è la provocante Mrs. Robinson che seduce un giovanissimo Dustin Hoffman. Dopo Il laureato, l'attrice dirada la sua attività cinematografica, lavora col marito Mel Brooks (sposato nel 1964) ne L'ultima follia di Mel Brooks (1975) e in Essere o non essere (1983). Nonostante continui ad ottenere le sue maggiori soddisfazioni a Broadway, si ritaglia qualche partecipazione cinematografica, come quella di una celebre attrice che nell'Inghilterra vittoriana prende a cuore la vicenda di un ragazzo deforme in The Elephant Man (1980), della madre superiora che scopre il terribile segreto di una giovane suora in Agnese di Dio (1985) e dell'eccentrica scrittrice che instaura una tenera amicizia epistolare con un venditore di libri in 84 Charing Cross Road (1986). Negli anni novanta interpreta ancora ruoli drammatici in Malice - Il sospetto (1993), Gli anni dei ricordi (1996), e Soldato Jane (1997). Una delle sue ultime interpretazioni cinematografiche è quella della stravagante madre di un giovane rabbino ebreo in Tentazioni d'amore (2000). Affetta da un cancro, muore all'età di settantatré anni presso il "Mount Sinai Medical Center" di New York.