O'Sullivan naceu en Irlanda no seo dunha familia católica. O seu pai era Charles Joseph Sullivan (4 de novembro de 1880-3 de xullo de 1974), oficial dos Rangers Connaught que serviu na primeira guerra mundial[1][2] e Renée Fraser (11 de xaneiro de 1884-6 de febreiro de 1969). Asistiu a un colexio de monxas en Dublín e posteriormente ao Convento do Sagrado Corazón (Londres). Unha das súas compañeiras de clase foi Vivian Mary Hartley, que triunfou como actriz co nome de Vivien Leigh. Logo de rematar os seus estudos en París, O'Sullivan regresou a Dublín e comezou a traballar polos pobres.
Frank Borzage, director de cine que estaba rodando o musical da 20th Century FoxSong o' My Heart (1930) en Dublín, coñeceuna e fíxolle unha proba de cámara con Dublín, coa que obtivo o papel de Eileen O'Brien, polo que a invitou a Hollywood a acabar a rodaxe. O'Sullivan aceptou e con dezanove anos viaxou a California acompañada pola súa nai.
A pesar de que o primeiro filme da actriz tivo pouco éxito, ese mesmo ano rodou outros musicais. Co mesmo Borzage rodou un ano despois A Connecticut Yankee (1931) xunto con Will Rogers.
En 1932 deixou a Fox e comezou a traballar para a Metro Goldwyn Mayer, iniciando a etapa que lle proporcionou os seus maiores éxitos profesionais. Ese mesmo ano protagonizou xunto a Johnny Weissmüller o filme Tarzan the Ape Man, dirixido por W. S. Van Dyke e producidp por Irving Thalberg. Nese filme, libre aíndo do código Hays da censura nos Estados Unidos, encarnou o papel de Jane Parker, compañeira de Tarzán. O sonado éxito do filme fixo que O'Sullivan repetise a personaxe noutras cinco ocasións. Entre os guionistas de Tarzan Escapes (1936), estaba John Farrow, co que contraeu matrimonio en setembro de 1936. Unha das fillas do matrimonio foi a actriz Mia Farrow.
A década de 1930 foi unha boa época para O'Sullivan, e ademais de na serie de Tarzán participou noutros filmes destacados como The Barretts of Wimpole Street (1934), The Thin Man (1934) ou A Day At The Races (1937), xunto aos irmáns Marx. Pouco a pouco foi abandonando as rodaxes ata que en 1942 deixou de traballar para atender o seu marido, enfermo de tifo e coidar os seus sete fillos.
En 1948 volveu para rodar un papel de coprotagonista en The Big Clock con Ray Milland e Charles Laughton, dirigida polo seu esposo John Farrow para Paramount Pictures. Continuou a aparecer ocasionalmente nos filmes do seu marido e na televisión. En 1960 xa consideraba que estaba completamente retirada. En 1958, o fillo máis vello da parella, Michael, morreu nun accidente aéreo en California.
O actor Pat O'Brien animouna a participar nunha compañía de verán, e a obra A Roomful of Roses estreouse en 1961. Iso levou a outra obra, Never Too Late, que supuxo o seu debut en Broadway. Pouco despois da estrea, Farrow faleceu dun ataque ao corazón.
Faleceu en Arizona, o seu lugar de residencia o 23 de xuño de 1998 aos 87 anos debido a un ataque ao corazón. Está enterrada no Most Holy Redeemer Cemetery, Niskayuna, Nova York, fogar do seu marido James Cushing.
O primeiro marido de O'Sullivan foi o guionista e director australiano-estadounidense John Villiers Farrow, dende o 12 de setembro de 1936 ata a morte del o 28 de xaneiro de 1963. Ela e Farrow tiveron sete fillos: Michael Damien (1939–1958), Patrick Joseph (1942–2009), Maria de Lourdes Villiers (nada en 1945), John Charles (nado en 1946),[3]Prudence Farrow (nada en 1948), Stephanie Farrow (nado en 1949) e Theresa Magdalena "Tisa" Farrow (nada en 1951). O'Sullivan casou con James Cushing, un rico home de negocios, o 22 de agosto de 1983 e o matrimonio durou ata a morte dela en 1998.
Billips, Connie J. (1990). Maureen O'Sullivan: A Bio-Bibliography, 13. Bio-bibliographies in the performing arts (en inglés). Nova York: Greenwood Press. ISBN9780313264702. OCLC925187226.
