Après des études à la prestigieuse High School for the Performing Arts, puis au Hunter College, Ellen Barkin fait un passage aux ateliers de l'Actor's Studio. C'est sur les planches new-yorkaise qu'elle fait ses premiers pas dans "Irish coffee", avant de jouer dans Shout across the river et dans le soap-opera "Search for tomorrow" à la télévision. Elle débute au cinéma avec une apparition non créditée dans Cheech and Chong's Up in Smoke en 1978. Mais ce n'est qu'en 1982, qu'elle obtient son premier rôle important, dans Diner de Barry Levinson. Sa prestation de femme délaissée est encensée par la critique et on la retrouve les années suivantes dans une dizaine de films où elle tient des rôles secondaires (Tendre Bonheur, Daniel , L' Affrontement ou Les Aventures de Buckaroo Banzaï ).

En 1987, la carrière d'Ellen Barkin prend un nouvel essor, son interprétation d'assistante tenace dans Le Flic de mon coeur, lui apporte la reconnaissance public et critique. Après une série de rôles sexy, elle choisit des personnages forts et poignants dans des productions indépendantes. En 1988, elle est la vedette du film expérimental Siesta, qui lui permet de rencontrer son futur mari Gabriel Byrne. Elle interprète ensuite une garce criminelle dans Johnny belle gueule, la maîtresse du flic qui la suspecte dans Mélodie pour un meurtre, un séducteur réincarné en blonde sensuelle dans Dans la peau d'une blonde et la femme de Robert De Niro dans Blessures secrètes.

Au milieu des années 90, après son divorce, la comédienne se fait plus rare au cinéma. Elle participe à quelques films notables comme Mad Dogs aux côtés de Jeff Goldblum, et Richard Dreyfuss. Deux ans plus tard, elle incarne une serveuse de café dans Las Vegas Parano de Terry Gilliam. Un clin d'oeil au réalisateur qui voulait travailler avec elle depuis Brazil.

En 2004, l'actrice est à l'affiche de She hate me de Spike Lee: elle est Margo Chadwick, une femme d'affaire arriviste et tenace impliquée dans un scandale financier. Les choix artistiques d'Ellen Barkin reflètent une exigence artistique revendiquée. Pour preuve, elle accepte de tourner sous la direction du très controversé Todd Solondz dans Palindromes, une critique sociale de l'Amérique au vitriol. C'est aussi par la case comique que l'actrice passe dans Chassé-croisé à Manhattan, avant de revenir au genre policier dans Ocean's 13 sous la direction de Steven Soderbergh puis dans L' Elite de Brooklyn sous celle d'Antoine Fuqua. La même année, elle plonge dans l'univers trompeur du Caméléon de Jean-Paul Salomé, aux côtés de l'acteur québécois Marc-André Grondin.