D'origines modestes, Shelley Winters est élevée à Brooklyn. Lassée des petits boulots, elle se tourne très jeune vers l'art dramatique. Après avoir tenté sa chance à Broadway, la jeune actrice décide de se rendre à Hollywood où elle côtoie une autre future star du cinéma, Marilyn Monroe. Alternant les figurations et les petits rôles, elle est remarquée pour la première fois dans Othello de George Cukor, où elle joue une jeune femme victime de la jalousie maladive d'un acteur obsédé par son rôle.

Désormais reconnue comme actrice à part entière, elle confirme son talent en 1951 face à Elizabeth Taylor et Montgomery Clift dans Une Place au soleil. Son physique de blonde plantureuse associée à son franc parler séduit bon nombre de réalisateur qui voit en elle l'amante idéale au destin souvent tragique. Elle collabore alors avec tous les maîtres d'Hollywood : Anthony Mann, George Stevens, Raoul Walsh, Robert Aldrich, Robert Wise... Pris sous l'aile de Charles Laughton, celui-ci lui fera tenir le haut de l'affiche de son film mythique : La Nuit du chasseur (1955).

Il faut attendre 1960 pour la voir officiellement reconnue par la profession. Elle remporte ainsi l'Oscar de la Meilleure actrice dans un second rôle pour Le Journal d'Anne Frank. Elle fera don de sa statuette dorée au Musée Anne Frank, en hommage à la jeune victime des camps nazis. Fort de cette distinction, Shelley Winters est sollicitée par Stanley Kubrick pour incarner la mère de Lolita. Jouant de ses charmes et de ses rondeurs revendiquées, sa prestation est unanimement saluée. Elle remportera une nouvelle fois l'Oscar de la meilleure actrice dans un second rôle en 1966 dans Un coin de ciel bleu, où elle donne la réplique à Sidney Poitier.

Dans les années 70, Shelley Winters continue ses prestigieuses collaborations : de Bloody Mama où elle partage l'affiche avec une autre légende en devenir, Robert De Niro, à L' Aventure du Poséidon, pour lequel elle remportera une nouvelle nomination aux Oscars, son caractère bien trempé continue de séduire. Réputée aussi bien pour sa personnalité affirmée que pour ses nombreuses liaisons (Burt Lancaster, Marlon Brando, Sean Connery...), elle tourna son dernier film en 1999, La Bomba, avec Vittorio Gasman, son seul mari avec qui elle eut un enfant. Shelley Winters est décédée le 14 janvier 2006 à 85 ans.