Shelley Alexis Duvall se narodila v texaském Houstonu jako dcera právníka Roberta R. Duvalla a Bobbie Crawfordové. Má tři mladší bratry: Scotta, Shanea a Stewarta, který je také hercem. Studovala na Waltrip High School a později na South Texas Junior College. Shelley objevil v roce 1970 na jednom večírku režisér Robert Altman, když přijel do Houstonu natáčet bizarní komedii Brewster Mccloud. Shelley v té době prodávala kosmetiku v obchodním domě a ačkoli v té době neměla žádné herecké zkušenosti, Robert Altman ji obsadil do tohoto filmu do role Suzanne Davisové.

Shelley byla jediným umělcem, který v 70. letech spolupracoval se všemi třemi nejvýznamnějšími režiséry této dekády: s Robertem Altmanem, Woody Allenem i Stanley Kubrickem. V roce 1974 si zahrála Keechie, která u sebe ukrývá uprchlé gangstery, kteří vykrádají banky, ve filmu Zloději jako my. V roce 1977 si zahrála ošetřovatelku z geriatrického střediska Mildred „Millie“ Lammoreauxovou, jejíž vztah k mladší kolegyni a spolubydlící (Sissy Spacek) prochází radikálními proměnami, v psychologickém dramatu Roberta Altmana TŘI ŽENY, za který získala na filmovém festivalu v Cannes cenu pro nejlepší herečku. Za roli v tomto filmu získala také cenu losangeleských filmových kritiků a byla nominována na cenu BAFTA. V tomtéž roce se objevila jako Pam ve filmu Woodyho Allena Annie Hallová.

V roce 1980 si zahrála Wendy Torranceovou, kterou pronásleduje v opuštěném horském hotelu její manžel, neúspěšný spisovatel (Jack Nicholson) ve filmové adaptaci románového psychothrilleru Stephena Kinga pod vedením režiséra Stanleyho Kubricka Osvícení. V tomtéž roce jí Robert Altman nabídl roli, o které byl přesvědčený, že se pro ni narodila. Byla to role Olive Oylové ve filmové adaptaci Pepka námořníka. Shelley se tuto roli nejprve zdráhala přijmout kvůli negativním vzpomínkám na své dětství, kdy na ni ostatní děti takto pokřikovaly, ale nakonec souhlasila. Filmoví kritici ji označili za perfektní pro tuto roli a vyjádřili souhlas s Altmanem, že se Shelley pro tuto roli narodila. Během natáčení Pepka námořníka Shelley ukázala Robinu Williamsovi některé ze starých ilustrovaných pohádkových knih, které sbírala od sedmnácti let.

A tak vznikl nápad vytvořit televizní pořad založený na klasických pohádkách pro děti, se kterým se obratila na Showtime. Poté, co získala od Showtime souhlas, založila svoji vlastní produkční společnost, Platypus Productions, a v roce 1982 začala produkovat vlastní televizní show Faerie Tale Theatre, ve které také hostovala. Tato show se skládala z 26 hodinových epizod a běžela do roku 1987. Kromě tohoto projektu vytvořila Shelley ještě jeden podobný televizní projekt nazvaný Tall Tales And Legends, který představoval americké lidové hrdiny. Tato série trvala jen 9 epizod do roku 1988, ale vynesla Shelley nominaci na cenu Emmy. Dalším projektem, který vytovřila pro Showtime, byl projekt Nightmare Classics, který zpracovával známé hororové příběhy od takových autorů jako byl třeba Edgar Allan Poe. Tato show ale byla nejméně úspěšná z těch, které Shelley vytvořila, a běžela jen čtyři epizody. Čtvrtým a posledním projektem, který Shelley pro Showtime vytvořila, byl v roce 1992 projekt Bedtime Stories, který oživoval příběhy z dětských knih vyprávěné známými celebritami. Pro Shelley znamenal tento projekt dobrý comeback a vynesl jí další nominaci na cenu Emmy. Naposledy se na filmovém plátně obejvila v roce 2002 jako detektiv v nezávislém snímku Manna From Heaven. Shelley v současné době žije v texaském městě Blanco.