Kim Novak débute dans le show-business en qualité de Miss Deepfreeze. Un titre de reine de beauté qui lui permet d'être le porte-parole d'une marque de réfrigérateurs à travers les Etats-Unis. Devenue mannequin, elle s'installe à Los Angeles et fait une première figuration (non créditée) dans The French line, auprès de Jane Russell.

Repérée par Harry Cohn, la patron de la Columbia, qui cherche une remplaçante pour Rita Hayworth, la jeune femme se voit signer un contrat de six mois en 1954. Pour éviter toute comparaison, elle change son prénom Marylin en celui de Kim et joue une femme fatale dans Du plomb pour l'inspecteur de Richard Quine, réalisateur avec qui elle retravaillera par la suite.

En 1955, elle tient le rôle principal dans Picnic de Joshua Logan et L'Homme au bras d'or d'Otto Preminger, où elle tourne aux côtés de Frank Sinatra. Ces deux films confirment son talent et lui assurent une certaine notoriété. Elle enchaîne ensuite avec deux films de George Sidney (Un Seul amour et La Blonde ou la rousse).

Quand Vera Miles tombe enceinte, Kim Novak hérite, face à James Stewart, du double rôle féminin dans Sueurs froides d'Alfred Hitchcock. Le réalisateur considère ce choix comme "une erreur" et se querelle à plusieurs reprises avec l'actrice au cours du tournage. A sa sortie, le film n'est pas un succès ; il n'en reste pas moins qu'il s'agit du rôle le plus emblématique de Kim Novak à ce jour.

Elle retrouve son partenaire James Stewart, dans L'Adorable Voisine, une comédie où elle joue une sorcière des temps modernes. Sa collaboration avec Richard Quine se poursuit avec le mélo Les Liaisons secretes et L'Inquietante Dame en noir, où l'actrice est une femme soupçonnée de meurtre. Ces rôles à dimension comique la mènent en 1964 à sa prestation délurée – elle est Polly une entraineuse- dans Embrasse-moi, idiot de Billy Wilder, censuré à l'époque par des ligues de vertu. La même année, elle devient également Mildred, une serveuse dont le comportement volage met au supplice l'homme qui l'aime dans L'Ange pervers.

A partir de 1965, Kim Novak se fait de plus en plus rare sur les écrans ; ellle apparaît ainsi en actrice possédée dans Le Demon des femmes de Robert Aldrich et dans Le miroir se brisa, une enquête de miss Marple dans le milieu hollywoodien. Ses dernières apparitions sont essentiellement réservées à la télévision. En 1997, l'actrice reçut un Ours d'or à Berlin pour l'ensemble de sa carrière.