Marcia Gay Harden effectue une partie de ses études en Europe dans des universités américaines, avant de conclure son cursus dans l'Etat du Texas, au début des années 80. En 1986, la jeune femme débute sur grand écran dans le thriller The Imagemaker, mais c'est trois ans plus tard, en femme fatale du Miller's crossing des frères Coen, qu'elle se révèle au grand public.

La comédienne se spécialise alors dans le second rôle de poids, avec un goût prononcé pour la diversité des genres. Elle côtoie ainsi Susan Sarandon dans le drame Safe passage (1994), apparaît dans la comédie Le Club des ex (1996), donne la réplique à Robin Williams dans le fantastique et délirant Flubber (1997), se montre à l'affiche du thriller L' Enjeu (1998) ou participe au mystérieux Rencontre avec Joe Black (1998).

Très attachée à la télévision (elle incarne notamment Ava Gardner dans le téléfilm Sinatra (TV), en 1992), Marcia Gay Harden connaît des périodes fastes sur les planches, comme lorsqu'elle s'illustre dans la pièce Angels in America à Broadway. Sur grand écran, les années 2000 sourient à cette actrice saluée par la critique mais peu connue du grand public. A l'affiche du Space Cowboys de Clint Eastwood, elle impressionne en femme de Jackson Pollock dans le biopic de, et avec, Ed Harris (2000). Une performance dans Pollock qui lui vaut l'Oscar du Meilleur second rôle féminin.

En 2003, l'actrice fait une nouvelle fois montre de son talent dans Mystic river, qui la voit collaborer une seconde fois avec Clint Eastwood. De plus en plus courtisée, elle est notamment aux castings du Sourire de Mona Lisa (2003), de Bad news Bears (2005), de la comédie satirique American Dreamz (2006) et d'Into the Wild (2007) de Sean Penn, dans lequel elle joue la mère du jeune Chris McCandless (Emile Hirsch). Entre temps, la comédienne n'en délaisse pas moins la télévision puisqu'on la retrouve dans de nombreux téléfilms ainsi que dans plusieurs séries comme Damages, Royal Pains ou encore New York Unité Spéciale.

Après des prestations remarquées en 2009 dans The Maiden Heist, aux côtés de Christopher Walken et Morgan Freeman, ainsi que dans Bliss où elle donne la réplique à Ellen Page et Drew Barrymore, Marcia Gay Harden remonte sur les planches de Broadway en 2010 pour apparaitre dans la pièce God of Carnage, en compagnie de James Gandolfini, Jeff Daniels et Hope Davis. Après deux ans d'absence, la comédienne fait son retour sur le grand écran en 2012 dans Detachment avec Adrien Brody, un film social dans la lignée de Half Nelson et Precious, mis en scène par le réalisateur engagé d'American History X.