Mary Elizabeth Winstead se narodila 28. listopadu 1984 v Rocky Mount ve státě Severní Karolína. Je dcerou Betty Lou a Jamese Ronalda Winsteadových. Když jí bylo pět let, rodina se přestěhovala do Sandy v Utahu, kde Mary Elizabeth prožila většinu svého dětství. Už v raném věku projevovala zájem o umění, zejména o tanec. Studovala balet na prestižní Joffrey Ballet School v New Yorku a v mládí se dokonce objevila v několika představeních. Její kariéra začala na divadelních prknech, když ve dvanácti letech debutovala na Broadwayi v revivalu muzikálu „Joseph and the Amazing Technicolor Dreamcoat“. Tato zkušenost ji přivedla k zájmu o herectví před kamerou. Po divadelní zkušenosti se rozhodla věnovat herectví naplno a brzy získala svou první televizní roli.
V roce 1999 získala Mary Elizabeth roli Jessicy Bennett v denní telenovele „Passions“, kde působila až do roku 2000. Tato role jí poskytla cenné zkušenosti před kamerou a pomohla jí prosadit se v Hollywoodu. Následovaly další televizní projekty, například role v seriálu „Wolf Lake“ (2001-2002) a hostování v populárních pořadech jako „Touched by an Angel“. Její filmový debut přišel v roce 2005, kdy se objevila v hororu „The Ring Two“, i když v menší roli. Tentýž rok si zahrála také v komediích „Sky High“ a „Checking Out“. Tyto rané role ukázaly její schopnost pohybovat se v různých žánrech a připravily ji na větší příležitosti, které měly brzy přijít.
Skutečný průlom v kariéře Mary Elizabeth nastal v roce 2006, kdy ztvárnila hlavní roli Wendy Christensen v úspěšném hororu „Final Destination 3“. Film se stal komerčním hitem a upevnil její pozici jako vycházející hvězdy hororového žánru. Téhož roku se objevila v remaku klasického hororu „Black Christmas“. Její herecký talent si všiml i renomovaný režisér Quentin Tarantino, který jí nabídl roli Lee Montgomery ve svém filmu „Death Proof“ z roku 2007, který byl součástí projektu „Grindhouse“. Tato role jí umožnila pracovat s jedním z nejuznávanějších tvůrců současnosti a posunula ji dál od typických hororových rolí. V roce 2007 si zahrála také po boku Bruce Willise v akčním trháku „Live Free or Die Hard“ (Smrtonosná past 4.0), kde ztvárnila jeho dceru Lucy Gennero-McClane. Tato role jí přinesla širokou popularitu a ukázala, že se dokáže prosadit i ve velkých hollywoodských produkcích.
V následujících letech Mary Elizabeth pokračovala v rozšiřování svého hereckého portfolia. V roce 2010 ztvárnila Ramona Flowers v kultovním akčním komediálním filmu „Scott Pilgrim vs. the World“, který si získal velkou fanouškovskou základnu a potvrdil její status univerzální herečky. Poté se objevila ve filmu „The Thing“ (2011), prequelu ke klasickému hororu Johna Carpentera. Zvláštní uznání si vysloužila za svou roli v nezávislém dramatu „Smashed“ (2012), kde ztvárnila ženu bojující se závislostí na alkoholu. Za tento výkon obdržela pozitivní recenze a ukázala svou schopnost ztvárňovat komplexní a emocionálně náročné postavy. Téhož roku si zahrála také ve fantasy hororu „Abraham Lincoln: Vampire Hunter“ a v romantickém dramatu „A Glimpse Inside the Mind of Charles Swan III“.
V roce 2013 se Mary Elizabeth objevila v ceněném nezávislém filmu „The Spectacular Now“. Dále si zahrála v dramatu „Alex of Venice“ (2014) a v psychologickém thrilleru „Faults“ (2014), který režíroval její tehdejší manžel Riley Stearns. Mezi její další významné role patří ta v thrilleru „10 Cloverfield Lane“ (2016), kde ztvárnila ženu uvězněnou v bunkru s neznámým mužem. Tento film jí vynesl další uznání za její intenzivní a uvěřitelný výkon. Na televizní obrazovky se vrátila v roce 2017 s hlavní rolí Niki Swango ve třetí sérii kritikou oceňovaného seriálu „Fargo“, za kterou byla nominována na Critics’ Choice Television Award. V roce 2019 si zahrála v akčním thrilleru „Gemini Man“ po boku Willa Smithe a v roce 2020 se vrátila do komiksového světa jako Lovkyně v akčním filmu „Birds of Prey“.
Mary Elizabeth Winstead byla v letech 2010 až 2017 vdaná za režiséra a scenáristu Rileyho Stearnse. Jejich vztah skončil rozvodem. V roce 2017 se začala objevovat po boku herce Ewana McGregora, se kterým se setkala při natáčení seriálu „Fargo“. Jejich vztah vyvolal značný mediální zájem. V roce 2021 se jim narodil syn, který dostal jméno Laurie. V roce 2022 se Mary Elizabeth a Ewan McGregor vzali. Kromě herectví se Mary Elizabeth věnuje také hudbě. Spolu s Danem the Automator tvoří hudební duo Got a Girl, které v roce 2014 vydalo album „I Love You But I Must Drive Off This Cliff“. Mezi její novější herecké projekty patří akční thriller „Kate“ (2021) pro Netflix a role Hery Syndully v seriálu „Ahsoka“ (2023) ze světa Star Wars, kde si znovu zahrála po boku Ewana McGregora, který se v seriálech Star Wars objevuje jako Obi-Wan Kenobi. Její kariéra pokračuje v rozmanitých rolích, které ukazují její široký herecký rejstřík a schopnost ztvárnit jak akční hrdinky, tak hluboké dramatické postavy.