Célèbre pour avoir incarné des femmes fragiles et désarmantes, Eva Marie Saint a très tôt gagné la célébrité. Après avoir étudié l'art dramatique à l'Université de Bowling Green, dans l'Ohio, elle tourne très vite dans des fictions et des séries pour la télévision. Dès 1954, elle marque les esprits en donnant la réplique à Marlon Brando dans Sur les quais d'Elia Kazan, rôle qui lui vaut, l'année suivante, l'Oscar de la meilleure actrice dans un second rôle. Son jeu novateur, subtil et sobre, fait merveille, à une époque où de nombreuses actrices se complaisent dans un style expansif.

Elle alterne par la suite comédies romantiques et drames sentimentaux, jusqu'à son deuxième rôle marquant : celui d'une espionne déchirée entre amour et raison d'Etat, dans la célèbre comédie policière La Mort aux trousses (1959), d'Alfred Hitchcock. Se sentant désormais prête pour les grosses productions, elle s'investit dans l'aventure Exodus (1960), épopée-fleuve d'Otto Preminger sur la naissance de l'Etat d'Israël pour laquelle elle partage la vedette avec Paul Newman, puis dans celle de 36 heures (1965), drame psychologique situé durant la Seconde Guerre mondiale.

L'époque est dédiée aux collaborations avec de grands cinéastes. Par deux fois elle croise la route de John Frankenheimer : pour L'Ange de la violence en 1962, puis pour Grand Prix en 1966. Elle tourne également pour Vincente Minnelli (Le Chevalier des sables, 1965), Norman Jewison (Les Russes arrivent, 1966) et pour Robert Mulligan (pour son très étrange et méconnu western onirique, L'Homme sauvage, 1969).

Après un rôle dans Loving, d'Irvin Kershner, tragi-comédie sur la libération sexuelle typique de la fin des années 60, elle met en suspens ses ambitions cinématographiques et entame une carrière essentiellement consacrée au tournage de téléfilms. Après presque trente ans d'absence, elle revient enfin au cinéma, endossant des seconds rôles dans Je rêvais de l'Afrique (2000) ou dans le film de Wim Wenders, Don't come knocking (2005), qui est présenté en compétition officielle au festival de Cannes. En 2005 toujours, elle apparaît au générique de la comédie familiale de Wayne Wang, Winn-Dixie mon meilleur ami.

L'année suivante, elle sera Martha Kent, la mère de L'Homme d'acier dans Superman Returns. Le film ne remporte pas le succès escompté et elle ne retournera pas avant 2014 pour son dernier film en date, Un amour d'hiver avec Colin Farrell et Jessica Brown Findlay.