Étudiante à l’Université de Californie avant de prendre des cours de théâtre à l’École d’Art dramatique de Pasadena, Barbara Rush est très vite repérée par un agent de la Paramount Pictures. Dès 1950, elle tourne dans son premier long métrage (Molly la meilleure des amies) et devient l’enfant chérie des médias en raison de sa romance avec le très convoité Jeffrey Hunter, acteur qu'elle épouse cette même année.

Malgré quelques premiers rôles secondaires et sans grand relief (Le Choc des mondes, Québec, La Première Légion, Les Flèches brûlées et Le Roi pirate) pour la Paramount Pictures, son élégance et son aisance retiennent l'attention d'Universal Pictures qui en fait très vite une figure incontournable des mélodrames romantiques, dans lesquels elle s’attire généralement les faveurs du héros (Taza, fils de Cochise, Le Chevalier du roi, Le Secret magnifique). Cela lui permet de donner la réplique aux plus grands sex-symbols de l’époque, de Marlon Brando (Le Bal des maudits) à Kirk Douglas (Liaisons secrètes), en passant par James Mason (Derrière le miroir). A contre-courant des starlettes sublimes et aguicheuses de l'époque, Barbara Rush préfère incarner une beauté aussi élégante que digne.

Ses rôles gagnent alors en profondeur et en importance, et l'actrice devient l’incarnation de la femme parfois mauvaise et manipulatrice, parfois fragile, mais toujours au cœur du drame, comme dans Flight to Hong Kong, Ce monde à part ou encore Les Sensuels en 1957, dans lequel elle donne la réplique à Jeffrey Hunter, duquel elle a divorcé deux ans plus tôt.

Malgré la reconnaissance de ses pairs (elle reçoit le Golden Globes du Meilleur espoir féminin en 1954 pour son rôle dans le classique de science-fiction Le Météore de la nuit), il lui arrive de se plaindre de la qualité médiocre des rôles qui lui sont proposés. Sa carrière entame d’ailleurs un déclin marqué à partir des années 60. Remariée à un publiciste, Barbara Rush privilégie alors le petit écran, pour lequel elle tourne aussi bien des séries que des téléfilms (The Man, Le Dernier jour), mais aussi les planches (elle reçoit notamment le prix théâtral Sarah Siddons en 1970 et se produit à Broadway dans un one-woman show, en 1980). Cette même année marque son retour sur le grand écran avec Rien n'arrête la musique de Nancy Walker, mais ces retrouvailles sont de courte durée : l'actrice consacre en effet les dernières années de sa carrière à la télévision, notamment dans la série 7 à la maison.