Née en 1946 et cadette d'une famille de cinq enfants marquée par la mort précoce de leur père, Sue Lyon débute comme modèle dix ans plus tard à Los Angeles et aide sa mère à subvenir aux besoins des siens. Elle s'illustre à l'écran en décembre 1959 dans l'épisode Alien Love de Letter to Loretta, série anthologique où Stanley Kubrick, alors en plein casting de son Lolita adapté du roman de Vladimir Nabokov, la remarque.

Convoquée aux auditions, elle est retenue parmi 800 postulantes pour le rôle de Dolores Haze, alias Lolita, jeune fille qui fait tourner la tête d'un professeur de lettres divorcé durant l'été caniculaire où il occupe une chambre dans la maison familiale. Si le sujet du long métrage -et du roman original de Nabokov- dérange et fait polémique, la performance de Sue Lyon, 15 ans, impressionne,  Et l'histoire du cinéma de l'associer irrémédiablement à l'affiche du long métrage, lunettes-coeur sur le nez et sucette à la bouche... pour une image qui n'apparait en réalité jamais à l'écran.

Apparaissant chez John Huston (La Nuit de l'iguane, 1964), John Ford (Frontière chinoise, 1966) ou aux côtés de Frank Sinatra (Tony Rome est dangereux, 1967) et George C. Scott (Une sacrée fripouille, 1967), la comédienne s'illustre surtout jusqu'en 1980 dans des productions oubliables, comme le biopic Evel Knievel, Le Bal du vaudou, Les Cartes ne mentent jamais, Destruction planète terre, L'Etrangleur invisible ou L'Incroyable alligator, sa dernière apparition à l'écran.