Urodziła się wHouston wTeksasie jako córka Bobbie Ruth Crawford, agentki nieruchomości, i Roberta Richardsona „Bobby’ego” Duvalla (1919–1995)[2], prawnika. Nie była spokrewniona z aktoremRobertem Duvallem[3]. Wychowywała się z trzema braćmi: Scottem, Shane’em i Stewartem[4]. Po ukończeniu Stephen Pool Waltrip High School[5], Duvall sprzedawała kosmetyki w Foley i uczęszczała do South Texas Junior College, gdzie specjalizowała się w żywieniu i terapii dietą. Miała 18 lat, gdy na wystawie swojego ówczesnego chłopaka poznała ludzi zajmujących się produkcją filmową, którzy stwierdzili, że powinna zgłosić się na przesłuchanie do nowej produkcji[6].
Kreacja Mildred „Millie” Lammoreaux w dramacieAltmanaTrzy kobiety (3 Women, 1977) przyniosła jej nagrodę naFestiwalu Filmowym w Cannes (1977) i Los Angeles Film Critics Association (LAFCA), a także zdobyła nominację do nagrodyBAFTA (1978). Jednak za rolę Wendy Torrance, żony popadającego w obłęd trzeźwiejącego alkoholika i początkującego pisarza (Jack Nicholson) w filmieStanleya KubrickaLśnienie (The Shining, 1980) była nominowana doZłotej Maliny jako najgorsza aktorka roku, choć sam film okazał się dużym sukcesem komercyjnym. Po 40 latach, w 2022 odebrano jej nominację do Złotej Maliny; kapituła statuetek uznała, że na jej występ miało wpływ to, jak traktował ją na planie reżyser[9].
W 1982 była gospodarzem i producentem wykonawczym programu telewizyjnego dla dzieciFaerie Tale Theatre, za który otrzymałaPeabody Award (1984). Zagrała w siedmiu odcinkach:Titelitury (1983),Roszpunka (1983),Słowik (1983),Królewna Śnieżka (1984),Kot w butach (1985) iAladyn (1986). W pierwszym odcinkuŻabi król (1982) zagrali:Robin Williams iTeri Garr. Za program dla dzieciTall Tales & Legends (1985–87) i programShelley Duvall’s Bedtime Stories (1992–93) zdobyła nominację do nagrodyEmmy (1988, 1992).
7 lipca 1970 wyszła za mąż za artystę Bernarda Sampsona. Para rozwiodła się w roku 1974. Była także związana z muzykiemPaulem Simonem (w latach 1976–1978),Ringo Starrem (1978–79), Patrickiem Reynoldsem (1978) i Stanleyem Wilsonem (1980–86)[10]. Od 1989 jej partnerem był muzyk Dan Gilroy, były członek zespołuBreakfast Club[11].
18 listopada 2016 do swojego show zaprosił ją dr Phillip C. McGraw. Podczas wywiadu Duvall przyznała, że mazaburzenia psychiczne, traci kontakt z rzeczywistością i potrzebuje pomocy. Zapytana oRobina Williamsa, z którym spotkała się w 1980 roku na planie filmuPopeye. powiedziała, że nie wierzy, że aktor nie żyje (zmarł w 2014 roku). Dodała, że zmienił jedynie swoją postać i przyznała, że go widuje. Wyznała też, że jest prześladowana przez szeryfa z Nottingham, fikcyjną postać z filmuRobin Hood. Zgodziła się na leczenie pod warunkiem, że McGraw obieca, że nikt jej nie zamorduje podczas badania[12]. Po wywiadzie Duvall trafiła do zakładu psychiatrycznego w południowej częściKalifornii, lecz po trzech dniach odmówiła leczenia i wróciła do swojego domu.Mia Farrow skomentowała na Twitterze:Powinno istnieć prawo, które chroni osoby chore psychicznie przed drapieżnikami z programów telewizyjnych, takimi jak Dr. Phil, który wykorzystał Shelley Duvall dla własnego zysku. Z emisji programu nie była zadowolona również córkaStanleya Kubricka – Vivian i opublikowała list otwarty, w którym wyraża swoje oburzenie i obrzydzenia tym co zrobił dr Phil i producenci jego programu. Dodała w nim, że ma nadzieję, że inni również zbojkotują jego talk-show i przestaną oglądać „pozbawioną serca rozrywkę, która nie ma nic wspólnego z leczeniem”. W pomoc finansową dla Duvall zaangażowała się córka Kubricka (w Internecie zbierała pieniądze na leczenie) i organizacja The Actors Fund[13][14][15].
Zmarła 11 lipca 2024 wBlanco wTeksasie w wieku 75 lat[16]. Jej partner, Dan Gilroy, poinformował, że przyczyną śmierci były powikłania wywołanecukrzycą[17].