Mary McDonnell begann ihre Karriere am Theater und wurde erst in ihren späten 30ern in Hollywood bekannt. Für ihre Rolle in „Independence Day“ (1996) musste sie ihre Angst vor Flügen überwinden.
Mary McDonnell, als Mary Eileen McDonnell in Pennsylvania, als eines von sechs Kindern von Eileen (geb. Mundy) und John “Jack” McDonnell, einem Computerberater, geboren. Sie irischer Abstammung und wuchs in einer römisch-katholischen Familie auf. In ihrer Kindheit zog die Familie nach Ithaca, New York, wo sie den Großteil ihrer Jugend verbrachte.
Nach dem Abschluss der High School besuchte sie die State University of New York in Fredonia, um ihre Schauspielausbildung zu vertiefen. Anschließend setzte sie ihre Ausbildung am renommierten Long Wharf Theatre in New Haven, Connecticut, fort.
Mary McDonnell begann ihre Schauspielkarriere auf der Bühne und verbrachte über 20 Jahre am Theater, bevor sie in Film und Fernsehen Fuß fasste.
Einen bedeutenden Durchbruch erzielte sie 1990 mit ihrer Rolle als „Stands With A Fist“ in „Der mit dem Wolf tanzt“ (1990) an der Seite von Kevin Costner. Figur ist eine weiße Frau, die von der Lakota-Sioux aufgezogen wurde, nachdem ihre Familie während eines Angriffs getötet wurde. Ihr Name spiegelt ihre Entschlossenheit und Stärke wider, die sie innerhalb des Stammes zeigt. Sie hat die Kultur und Sprache der Lakota vollständig übernommen und lebt als eine von ihnen. Diese Darstellung brachte ihr Nominierungen für den „Oscar“ und den „Golden Globe“ als beste Nebendarstellerin ein.
Zwei Jahre später erhielt sie für ihre Hauptrolle in dem Film „Passion Fish“ (1992) erneut Nominierungen für den „Oscar“ und den „Golden Globe“. In dem Film spielt Mary McDonnell die Rolle der May-Alice Culhane, einer ehemaligen Soap-Opera-Darstellerin, deren Leben nach einem schweren Unfall eine dramatische Wendung nimmt. Nach einem Autounfall ist May-Alice von der Hüfte abwärts gelähmt und gezwungen, in ihr Elternhaus in Louisiana zurückzukehren. Dort muss sie sich mit ihrem neuen Leben und den emotionalen Folgen ihrer Behinderung auseinandersetzen. Ihre anfängliche Bitterkeit und Isolation prägen die ersten Momente des Films, doch im Laufe der Handlung entwickelt sie sich zu einer vielschichtigen und reflektierten Figur.
1996 spielte sie die First Lady Marilyn Whitmore in „Independence Day“ (1996), einem der erfolgreichsten Filme des Jahres. Sie ist die Ehefrau von Präsident Thomas J. Whitmore, dargestellt von Bill Pullman. Im Film wird Marilyn durch einen Angriff der Aliens schwer verletzt, als sie von Los Angeles evakuiert werden soll. Ihre Rettung durch Captain Steven Hiller, gespielt von Will Smith, und seine Freundin Jasmine, eine Stripperin und Mutter, gespielt von Vivica A. Fox, gelingt, doch sie ist zu schwer verletzt und stirbt später.
Im Fernsehen erlangte Mary McDonnell große Anerkennung für ihre Darstellung der Präsidentin Laura Roslin in Battlestar Galactica (2004–2009). Ihre komplexe und nuancierte Darstellung einer Führerin in Krisenzeiten wurde von Kritikern und Fans gleichermaßen gelobt.
Später übernahm sie die Rolle der Captain Sharon Raydor in The Closer (2005–2012) und führte diese Figur als Hauptrolle in der Spin-off-Serie Major Crimes (2012–2018) fort. Sharon Raydor wird zur Leiterin der Major Crimes Division des Los Angeles Police Department, nachdem Chief Brenda Leigh Johnson die Abteilung verlassen hat. Ihre Beförderung bringt erhebliche Spannungen mit sich, da sie in der Vergangenheit als interne Ermittlerin tätig war, was bei einigen Mitgliedern des Teams Misstrauen und Unmut auslöst. Sharon Raydor zeichnet sich durch ihre ruhige, analytische Herangehensweise an komplexe Fälle und ihre kompromisslose Haltung gegenüber moralischen und rechtlichen Fragen aus. Sie ist eine gerechte, aber strenge Anführerin, die das Vertrauen und den Respekt ihres Teams nach und nach gewinnt.
Mary McDonnell war mit dem Schauspieler Randle Mell verheiratet. Das Paar heiratete 1984 und hat zwei Kinder, Olivia und Michael. Die Familie lebte in Pacific Palisades, Kalifornien. Im Jahr 2021 trennten sich McDonnell und Mell.