Mary Astor werd geboren op 3 mei 1906 als dochter van een Duitse immigrantenfamilie.  Ze was nog geen 15 toen ze door haar carrièregerichte vader al aangespoord werd om deel te nemen aan een Schoonheidswedstrijd.  Met succes, waarna de kersverse schoonheidskoningin door haar vader overtuigd werd om het ook in de filmwereld te gaan proberen.  Haar eerste filmrol had ze al te pakken toen ze pas 15 was en na een aantal kleine rolletjes bleek haar rol als 'leading lady' in Beau Brummel met John Barrymore haar ticket naar het sterrendom.  Aanvankelijk was ze te zien in 'stille films', in een aantal gevallen als onschuldige heldin in kostuumfilms zoals Don Juan, ook al met John Barrymore, een acteur waar ze een tijd ook een stormachtige liefdesrelatie mee onderhield. 

Eens de geluidsfilm werd geïntroduceerd bleek dat Astor ook daar goed genoeg was om de hoofdrol te gaan vertolken.

In 1941 vertolkte ze de rol van de geraffineerde bedriegster Brigid O'Shaughnessy in The Maltese Falcon, voor haar rol in The Great Lie won ze een Oscar/Academy Award.

Mary Astor is vier keer gehuwd geweest, haar eerste echtgenoot was regisseur Kenneth Hawks (broer van Howard Hawks), die om het leven kwam in een vliegtuigcrash toen hij onderweg was voor een filmopdracht.  Haar tweede huwelijk was er één die uitmondde in een heuse 'vechtscheiding' wanneer strijd gevoerd werd om het voogdijschap van hun dochter.  Tijdens de debatten in de rechtbank werd het persoonlijk dagboek van de actrice zelfs in de strijd gegooid met alle gevolgen van dien : zo zou Astor een geheime relatie gehad hebben met toneelschrijver George S. Kaufman.  Het werd hét schandaal van de jaren '30 en kostte Astor bijna haar carrière.  Het was rond deze periode ook dat Astor kampte met een alcoholverslaving en zelfs een zelfmoordpoging ondernam.

In de jaren '50 kreeg Mary Astor opnieuw een inzinking wat het einde van haar carrière inluidde. 

Hartproblemen zorgden er voor dat ze vanaf '65 niet meer te zien was in films.

Mary Astor schreef naast twee autobiografieën ('My Story' in 1959 en 'A Life on Film' in 1971) ook vijf romans die matig succesvol waren.