Shelley Alexis Duvall nasceu em Fort Worth, Texas, o primeiro filho de Bobbie Ruth (Massengale, 1929-2020), um corretor de imóveis, e Robert Richardson Duvall (1919-1994), um advogado. Na época de seu nascimento, sua mãe estava visitando sua avó em Fort Worth, embora Duvall tenha sido criado em Houston. Durante sua infância, a mãe de Shelley, com humor, deu a Shelley o apelido de "Rato Maníaco", porque ela costumava correr pela casa e derrubar móveis. Shelley, entretanto, era mais do que um rato, mas sim uma pequena artista. Sua coisa favorita quando era muito jovem era desenhar. Ela também tem três irmãos: Scott, Shane e Stewart.
Shelley se formou na Waltrip High School no Texas e a princípio se tornou uma vendedora de cosméticos.Foi em 1970 quando Shelley foi descoberta por caçadores de talentos em uma festa local.O diretor Robert Altman queria escalar Shelley para um filme que estava fazendo na época.Shelley tinha experiência em atuar em peças de colégio na época e aceitou a oferta de Altman e apareceu em seu primeiro filme, Brewster McCloud.Altman ficou tão fascinado com a atuação dela que ela apareceu em seus próximos filmes, incluindo: McCabe and Mrs.Miller em 1971, Thieves Like Us em 1974 e Nashville em 1975.Além desses três filmes de sucesso, a atuação de Duvall floresceu em seu papel principal como Mille Lammoroux em 3 mulheres em 1977.A atuação de Duvall foi tão excelente que ela ganhou o prêmio de Melhor Atriz no Festival de Cinema de Cannes de 1977.Shelley também estrelou como Berenice em Bernice Bobs Her Hair, de Joan Micklin Silver, em 1976, e teve uma participação especial em Annie Hall, de Woody Allen, em 1977.No mesmo ano, Shelley também apresentou um episódio do Saturday Night Live.
Quando a década de 1980 chegou, a carreira de Duvall estava apenas começando. Ela é famosa por interpretar o papel de "Wendy Torrance" em The Shining with Jack Nicholson, de Stanley Kubrick. Durante a produção deste filme, Kubrick atormentou psicologicamente Duvall, causando-lhe imenso estresse e afetando seu estado mental. Ele costumava ignorá-la inteiramente durante as filmagens ou colocá-la em situações que lhe causavam imenso medo e angústia. O exemplo mais óbvio é quando Kubrick filmou a famosa "cena do taco de beisebol" com Duvall e Nicholson 127 vezes, que é o recorde mundial para o maior número de tomadas em qualquer set de filme.
Em janeiro de 1979, Robert Altman ofereceria a Duvall mais um papel em um de seus filmes. Apenas o papel era um certo papel que Altman acreditava que ela nasceu para desempenhar. Esse certo papel era "Olive Oyl" na versão da vida real do Popeye. Shelley ficou cética no início em aceitar o papel, devido às más lembranças de ser chamada de "Olive Oyl" negativamente na escola primária. Felizmente, ela decidiu assumir o papel e teve um desempenho admirável. Shelley também canta várias canções neste filme. Os mais famosos seriam "Ele é grande" e "Ele precisa de mim", que também apareceram no filme Punch Drunk Love.
Conforme a década de 1980 avançava, a carreira de Shelley nunca diminuiu.Ela apareceu como atriz coadjuvante em Time Bandits, de Terry Gilliam, em 1981;ela interpretou "Susan Frankenstein" em Frankenweenie (1984), de Tim Burton, e co-estrelou a comédia de sucesso Roxanne em 1987, estrelada por Steve Martin.De 1982 a 1986, Shelley continuou sua carreira de filmagem, mas de um aspecto diferente.Desde os 17 anos, Shelley teve uma coleção de uma variedade de livros ilustrados de contos de fadas clássicos.Durante a produção de Popeye, ela mostrou sua coleção para Robin Williams.Um conto de fadas em particular que ela mostrou a Robin foi "O Príncipe Sapo".Retratando Robin como o Príncipe Frog da vida real, Shelley criou a Platypus Productions, sua própria produtora.Shelley foi ao Showtime com a ideia de exibir um programa de televisão baseado em contos de fadas.Ela produziu o Fairy Tale Theatre, que foi ao ar pela Showtime, uma série de sucesso da televisão baseada em vários contos de fadas clássicos.O Fairy Tale Theatre esteve na televisão de 1982-1987.Cada episódio foi uma série de uma hora e houve um total de vinte e seis episódios, todos hospedados por Shelley Duvall.Shelley também estrelou quatro dos vinte e seis episódios.Em 1985, a Sra.Duvall criou Tall Tales and Legends que foi ao ar por três anos até terminar em 1988.Semelhante ao Fairy Tale Theatre, Tall Tales and Legends também foi uma série de uma hora apresentada, produzida e estrelada por Duvall.Embora tenha consistido apenas em nove episódios, Shelley foi indicada ao Emmy da série.No final dos anos 1980 e início dos 1990, Shelley descobriu a Think Entertainment;outra produtora que ajudou Shelley a criar mais programas e filmes feitos para a televisão e transmitidos em canais a cabo comuns.Shelley produziu mais três programas dessas produtoras que foram ao ar no Showtime: Nightmare Classics, Shelley Duvall's Bedtime Stories e Mrs.Piggle Wiggle.Seu programa Bedtime Stories lhe rendeu uma 2ª indicação ao Emmy.Shelley vendeu a Think Entertainment em 1993 e se aposentou como produtora.
Em 1989, Shelley conheceu Dan Gilroy enquanto filmava o filme do Disney Channel Mother Goose Rock 'n' Rhyme (1990), os dois se apaixonaram e estão juntos desde então.
A carreira posterior de Shelley Duvall teve vários papéis diferentes para ela. Ela apareceu na comédia familiar Home Fries em 1998, interpretando "Mrs. Jackson", a mãe do personagem de Drew Barrymore. Outros filmes cômicos em que Shelley apareceu foram Suburban Commando em 1991 e Changing Habits em 1997. Ela também fez participações em várias séries de TV, como: Frasier, L.A. Law, The Ray Bradbury Theatre, Wishbone e vários outros. Shelley voltou ao gênero de terror quando interpretou "Martha Stewart" no The 4th Floor em 1999 e interpretou o papel de "Mrs. Stein" em Big Monster On Campus em 2000; que consistia no gênero de comédia e terror.
Desde 2002, Shelley Duvall não atuou em nenhum filme, mas vive uma vida tranquila e pacífica em Blanco, Texas. Ela mora em Blanco desde 1994, depois que sua casa em Los Angeles foi danificada por um terremoto. Nos últimos dois anos, houve vários rumores sobre Duvall ser um "recluso" e não estar em contato com a realidade. No entanto, uma entrevista recente em 2010 foi conduzida pelo MondoFilm VideoGuide que tinha fortes provas de que Shelley está tão normal e ciente da realidade como sempre. Ela também observou nesta entrevista que cuida de vários animais em sua casa no Texas e escreve muita poesia, e que voltar a atuar é sempre uma possibilidade.
