בייטס נולדה בממפיס, טנסי שבארצות הברית, למדה תיאטרון באוניברסיטה פרטית בטקסס, וסיימה את לימודיה ב-1969. תפקידה הראשון בקולנוע היה בסרטו האמריקני הראשון של מילוש פורמן, "התפשטות" (1971), בו גילמה תפקיד זעיר של זמרת הנבחנת לאודישן. לאחר שבע שנים קיבלה את תפקידה הבא בקולנוע, בסרט "Straight Time", בו גילמה תפקיד משנה משמעותי, כשבתפקיד הראשי מככב דסטין הופמן. לאחר ארבע שנים הופיעה שוב בקולנוע, באחד הסרטים הפחות ידועים של רוברט אלטמן, "חזור הביתה ג'ימי דין, ג'ימי דין", בו גילמה חברה במועדון מעריצים של השחקן ג'יימס דין. רק לאחר מכן החלו התפקידים לזרום.
תפקידה הבולט הראשון היה בסרט "מיזרי" (1990), המותחן המצליח של רוב ריינר, על פי ספרו של סטיבן קינג, בו גילמה את דמותה הפסיכוטית של אנני וילקס[1]. על תפקידה זה זכתה בייטס בפרס אוסקר ובפרס גלובוס הזהב בקטגוריית "השחקנית הראשית הטובה ביותר".
בתפקידיה הבאים בקולנוע התרחקה מאוד מדמותה ב"מיזרי", וקנתה לה שם של שחקנית המרבה לשחק דמויות אנושיות וטובות לב בקולנוע ובסרטי טלוויזיה, לרוב בתפקידי משנה. בין השאר, בסרטו של וודי אלן "צללים וערפל" (1991)[2], בסרט "עגבניות ירוקות מטוגנות" (1991)[3], ובקומדיה הרומנטית "אנשים משומשים" (1992)[4].
אל תפקיד המרשעת חזרה בייטס כשכיכבה במלודרמה "חשדות מהעבר" (1995), שגם הוא היה עיבוד לספרו של סטיבן קינג, בו גילמה אישה הנחשדת ברצח. לאחר "מיזרי" הייתה מועמדת פעמיים לפרס האוסקר: על תפקידה בדרמה הפוליטית של מייק ניקולס, "צבעי השלטון" (1998) וב"אודות שמידט" (2002), בו הופיעה לצד ג'ק ניקולסון. ב־1997 כיכבה באחד מן הסרטים המצליחים בכל הזמנים, מבחינה כספית, "טיטניק", בו גילמה את דמותה של מרגרט בראון, שנאבקה להורדת כמה שיותר מנוסעי הטיטניק לסירות ההצלה. בייטס הייתה גם מועמדת 7 פעמים לפרס אמי, אף על פי שמעולם לא זכתה בו. מתוכם הייתה מועמדת שלוש פעמים כשחקנית המשנה הטובה ביותר במיני סדרה או בסרט טלוויזיה, פעמיים על הופעת אורח (בהן ב"עמוק באדמה"), פעם אחת על הבימוי ופעם אחת כשחקנית ראשית.
בשנת 2012 זכתה לבסוף בפרס אמי לשחקנית המשנה הטובה ביותר בתפקיד אורחת על הופעתה בקומדיית המצבים "שני גברים וחצי".
בספטמבר 2024, בייטס סיפרה כי שקלה פרישה חלקית לפני שלקחה את התפקיד הראשי בחידוש של הסדרה "מטלוק" (אנ'). בסדרה, בייטס מגלמת את הדמות הראשית, עורכת דין בגיל 70 המתמודדת עם אפליית גיל במקום עבודתה ומשתמשת בה לטובתה.[10].