Élevée dans un couvent londonien, Maureen O'Sullivan fait une partie de ses études à Paris.
De retour à Dublin à l'âge de dix-huit ans quand la jeune Irlandaise est sélectionnée parmi beaucoup d'autres pour le rôle principal de "Song o'my heart" de Frank Borzage en 1930. Ce rôle, qu'elle tient avec fraîcheur, dont la vedette était le grand chanteur irlandais John McCormack. Suscite un contrat à la Fox et une carrière très active dans les années 30.

En 1930, elle part pour Hollywood où sa présence lui vaudra un contrat avec la 20th Century Fox. Dès lors, elle tourne des comédies sentimentales où son charme et son apparence ingénue font merveille.

Maureen O'Sullivan était une belle ingénue, emploi difficile à tenir car toujours menacé de mièvrerie : mais elle était une ingénue idéale car elle suggérait à merveille, derrière l'innocence, la rouerie, la détresse ou le pathétique. C'est avec les honneurs qu'elle se tire de rôles ingrats dans "Annie la Batelière" de Mervyn LeRoy en 1933 ou "Miss Barren" de Sidney Franklin en 1934, où, de plus, elle était à l'arrière plan. Un exemple frappant de son art nous est donné par sa création à la fois délicieuse, irritante et touchante de l'épouse capricieuse de "David Copperfield" de George Cukor en 1935, qui meurt de manière si bouleversante.

De plus, elle pouvait avoir de l'humour et de l'entrain, comme l'atteste le charmant "Jours heureux" de W. S. Van Dyke en 1934. Mais, bien sûr, la grande chance de sa vie ce fut d'être la Jane du plus mythique des Tarzan, Johnny Weissmuller, dans six films. Le meilleur est peut-être le sauvage et rousseauiste " Tarzan et sa compagne " de Jack Conway et Cedric Gibbons en 1934, où l'ironie de son jeu et son charme acide sont le mieux en évidence dans un rôle qu'aucune actrice avant ou après n'a réussi à marquer.

On continua à la distribuer dans des décors anglais et des personnages d'ingénue. Maureen O'Sullivan en eut peut-être assez et ne tourna plus rien de 1942 à 1948, où elle revint discrètement dans un bon filin de son mari John Farrow, "La Grande Horloge". Parmi ses films des années 50, on retiendra l'institutrice de "Désir de femme" de Dougals Sirk en 1953. Enfin, Budd Boetticher la fait redécouvrir en 1957 dans "L'homme de l'Arizona", en étrange bourgeoise peu avenante, dévorée de passions secrètes.

Sa fille Mia Farrow est mère de 6 enfants et fut mariée pendant 2 ans à Frank Sinatra.

Le 23 juin 1998, Maureen O'Sullivan nous quitte d'un arrêt cardiaque à Scottsdale, en Arizona.