Mary McDonnell wurde am 29.04.1952 in Wilkes-Barre, Pennsylvania geboren und wuchs in Ithaca, New York auf. Nachdem sie ihren Abschluss an der State University of New York at Fredonia gemacht hat, besuchte sie die Schauspielschule und arbeitete bei der Long Wharf Theatre Company an der Ostküste. Nach 20 Jahren auf der Theaterbühne hatte sie 1990 ihren filmischen Durchbruch in Kevin Costners "Der mit dem Wolf tanzt" und erhielt für ihre Leistung eine "Oscar"- und eine "Golden Globe"-Nominierung in der Kategorie "Beste Nebendarstellerin". Anschließend spielte sie in den 90er Jahren unter anderem in "Sneakers – Die Lautlosen" mit Robert Redford, übernahm die Hauptrolle in "Passion Fish", für die sie ihre zweite "Oscar"- und auch "Golden Globe"-Nominierung erhielt, und war als First Lady in Roland Emmerichs "Independence Day" zusammen mit Will Smith und Jeff Goldblum zu sehen.

Später wirkte sie unter anderem in "Donnie Darko – Fürchte die Dunkelheit" an der Seite von Jake Gyllenhaal mit und erhielt über mehrere Folgen von "Emergency Room – Die Notaufnahme" eine Gastrolle, für die sie für den Emmy Award nominiert wurde. Von 2004 bis 2009 wirkte sie in der Serie "Battlestar Galactica" mit und erhielt für ihre Performance den Saturn Award als "Beste TV-Hauptdarstellerin". 2011 erschien McDonnell in dem starbesetzten Film "Der große Crash" mit Kevin Spacey, Jeremy Irons und Demi Moore. Von 2009 bis 2012 spielte sie in der Serie "The Closer" die Rolle der Captain Sharon Raydor, für die sie eine weitere "Emmy"-Nominierung erhielt. Seit 2012 steht Mary McDonnell im "The Closer"-Spin-off "Major Crimes" vor der Kamera – hier ist ihre Rolle der Captain Sharon Raydor das Gesicht der Serie.