Parsons syntyi Lynnissä, Massachusettsissa, Eben Parsonsin ja ruotsalaisen Elinor Ingebore Matssonin tyttäreksi. Hän opiskeli Oak Grove School for Girlsissä Mainessa ja valmistui Connecticut Collegesta vuonna 1949. Sen jälkeen hän luki lakia ja toimi laulajana ennen näyttelijänuransa alkamista 1950-luvulla.
Parsons tunnetaan sekä televisiosta, teatterista että elokuvamaailmasta. Hän on ollut useasti Tony-ehdokkaana ja sai vuonna 1967Parhaan naissivuosan Oscar-palkinnon roolistaan elokuvassa Bonnie ja Clyde. Muiden tunnettujen elokuvien joukkoon lukeutuvat Rachel, Rachel – haluan rakastaa (1968) ja Musta maanantai (1993).
Parsons oli lisäksi Bafta-ehdokkaana, ja hänellä oli sivurooli Beverlynä komediasarjassa Roseanne. Hän on ollut kahdesti naimisissa. Ensimmäinen avioliitto Richard Gehmanin kanssa solmittiin vuonna 1953, mutta päättyi eroon 1958. Avioliitosta syntyivät kaksostyttäret Abbie ja Martha. Hän on elänyt vuodesta 1983 toisessa avioliitossaan Peter Zimrothin kanssa, ja parilla on adoptiolapsi Abraham (s. 1983).
