Cyd Charisses Eltern waren Lela (geborene Norwood) und Ernest Enos Finklea, Sr.
Sie erhielt in Los Angeles eine Ballettausbildung bei Adolph Bolm und Bronislava Nijinska und trat in der Folge mit den Ballets Russes unter dem PseudonymSiderova auf. Der Zweite Weltkrieg bedeutete das Ende für diese Ballett-Truppe. Charisse ging darauf zurück nach Los Angeles, wo ihr David Lichine eine Rolle in Gregory Ratoffs Stück Something to Shout About anbot. Durch diese Rolle wurde der Choreograf Robert Alton (der Entdecker von Gene Kelly) auf sie aufmerksam; und in der Folge wurde sie als Tänzerin Mitglied der Truppe von Arthur Freed bei MGM, dem seinerzeit wichtigsten Filmstudio für Filmmusicals.
Ihre größten Erfolge hatte sie als Partnerin von Fred Astaire in Vorhang auf! (1953) und Seidenstrümpfe (1957) sowie von Gene Kelly in Singin’ In The Rain (1952) und Brigadoon (1954). Ab den 1960er Jahren trat Cyd Charisse nur noch sporadisch auf der Leinwand in Erscheinung. So war sie etwa 1962 Partnerin von Marilyn Monroe in deren letztem, unvollendeten Film Something’s Got to Give. Im Fernsehen und auf der Bühne blieb sie jedoch weiterhin präsent.
Cyd Charisse war von 1939 bis 1947 mit dem Choreografen Nico Charisse verheiratet. Aus der Ehe stammt ihr Sohn Nicholas (* 1942). Ab 1948 war sie bis zu ihrem Tod mit dem Sänger Tony Martin verheiratet und hatte mit ihm ebenfalls einen Sohn, Tony jr (* 1950). Sie war die Tante der Schauspielerin Nana Visitor, die vor allem aus der FernsehserieStar Trek: Deep Space Nine bekannt ist.
