A 8 anni si trasferì in California, dove trascorse un'infanzia difficile, a causa dell'alcolismo della madre. Durante l'adolescenza le venne diagnosticato il diabete di tipo 1, malattia che la mise più volte a dura prova. Nel 1955 si diplomò in una scuola cattolica.
Verso la fine degli anni cinquanta apparve in alcuni spot televisivi. Ottenne il suo primo successo nel ruolo di un'accattivante segretaria nella serieRichard Diamond (1957-1960), nonostante del suo personaggio si vedessero solo le gambe e si ascoltasse la voce. Notata daDick Van Dyke, diventò sua partner nella serieThe Dick Van Dyke Show (1961-1966), che le valse il successo.
Nel 1970 diventò la protagonista della fortunatasitcomMary Tyler Moore, in cui interpretava un'indipendente donna single che si trasferiva a Minneapolis per iniziare una nuova vita dopo un rapporto sentimentale inconcludente. I temi anticonformisti trattati e l'ottima prova dell'attrice fecero di questaserie tv, durata fino al 1977, un classico che le fece guadagnare 4premi Emmy. Lo stesso personaggio apparve poi in alcuni episodi delle seriespin-offRhoda ePhyllis, nonché nel film TVMary e Rhoda (2000).
Dopo avere recitato in alcune commedie alla fine degli anni sessanta, con vario successo, tornò sul grande schermo nel 1980, rinnovando la sua popolarità con il ruolo della madre fredda e insensibile del personaggio interpretato daTimothy Hutton inGente comune diRobert Redford, per cui si guadagnò una candidatura all'Oscar. Intanto dovette però far fronte a diversi problemi: l'alcolismo, l'aggravarsi del diabete, il divorzio e la tragica morte del figlio Richie[2]. Riuscì comunque a riprendersi, continuando a lavorare con successo sia per la televisione che per il teatro, ottenendo unTony Award per la sua interpretazione nel drammaWhose Life Is It Anyway?.
Risposatasi con Robert Levine, si dedicò con passione alla beneficenza per sostenere le persone affette da diabete di tipo 1[senza fonte]. Morì a 80 anni in un ospedale delConnecticut a causa di complicazioni legate a una grave polmonite[3][4].
Nel 1955 sposò Dick Meeker, da cui ebbe il suo unico figlio, Richie. Dopo il divorzio, nel 1962 sposòGrant Tinker, un dirigente dellaCBS in seguito presidente della NBC. Nel 1969 essi formarono la compagnia di produzione televisivaMTM Enterprises,[5] che creò e produsse le prime serie televisive,The Mary Tyler Moore Show. I due annunciarono la loro separazione nel 1979[6] e divorziarono due anni dopo.[7][8]
Il 14 ottobre 1980, all'età di 24 anni, suo figlio Richard morì a causa di un colpo di arma da fuoco alla testa accidentalmente autoinflitto mentre maneggiava un fucile a canne mozze.[11][12] Tale modello venne successivamente ritirato dal mercato a causa del grilletto troppo "sensibile".[13] Tre settimane e mezzo prima, era uscito nelle sale il filmGente comune dove Mary Tyler Moore interpretava una madre che era in lutto per la morte accidentale di suo figlio.
Il 23 novembre 1983 sposò il cardiologo ventinovenne Robert Levine.[14][15] I due si erano incontrati quando lui curava la madre dell'attrice a New York durante una visita a domicilio nel fine settimana, dopo che le due erano tornate da una visita in Vaticano dove avevano avuto un'udienza personale conGiovanni Paolo II.[16] Mary Tyler Moore e Levine rimasero sposati per 34 anni fino alla morte di lei nel 2017.[17]