Nata a Kulm - nel North Dakota - nel 1931, Angelina Brown - meglio nota come Angie Dickinson - seconda delle tre figlie di un piccolo editore, nel ’42 si trasferisce in California e, dopo aver conseguito il diploma (1946) e prima di iscriversi al college, lavora come segretaria in un aeroporto e partecipa ad un concorso di bellezza classificandosi al secondo posto.

Laureatasi in Economia nel ’54, nello stesso anno esordisce al cinema in Un pizzico di fortuna di Jack Donohue, e, dopo vari ruoli secondari (La giungla dei temerari - 1955 - di Allan Dwan, La rosa gialla del Texas - 1955 - di Harold D. Schuster, Sangue caldo - 1955 - di Richard Wilson, con Robert Mitchum e Jan Sterling, L’imboscata selvaggia - 1956 - di Albert C. Gannaway), ottiene i suoi primi ruoli da protagonista nel western Il vendicatore dell’Arizona (1956) di Andrew V. McLagen, con James Arness e La porta della Cina (1957) di Samuel Fuller.

Rifiutando l’immagine di bionda platinata (si vedano “dive” dell'epoca come Marilyn Monroe o Jayne Mansfield) o di mora (alla Jane Russell) in voga negli anni Cinquanta, si propone con un look differente, mettendo in risalto il colore naturale dei suoi capelli (un castano chiaro). Con tale look interpreta il ruolo che segnerà la sua consacrazione: quello della giocatrice d’azzardo del celebre western Un dollaro d’onore (1959) di Howard Hawks, con John Wayne, Dean Martin, Ricky Nelson e Walter Brennan.

Seguono dieci/dodici anni molti intensi, in cui sarà protagonista di numerosi film, diventando una fra le attrici americane più note degli anni Sessanta. Ricordiamo Colpo grosso (1960) di Lewis Milestone, Desiderio nel sole (1961) di Gordon Douglas, con Peter Finch e Roger Moore, Jessica (1962) di Jean Negulesco, Capitan Newman (1963) di David Miller, il gangster movie Contratto per uccidere (1964) di Don Siegel, remake di I gangsters (1946) di Robert Siodmak (con Burt Lancaster e Ava Gardner), tratto da un racconto di Ernest Hemingway, e che interpreta con Lee Marvin, John Cassavetes, Ronald Reagan (al suo ultimo film prima di essere eletto governatore della California), L’arte di amare (1965) di Norman Jewison, La caccia (1966) di Arthur Penn, con Marlon Brando, Robert Redford, Jane Fonda e Robert Duvall, Combattenti nella notte (1966) di Melville Shavelson, Senza un attimo di tregua (1967) di John Boorman, in cui recita  nuovamente con Lee Marvin, i western Sfida oltre il fiume rosso (1967) di Richard Thorpe, con Glenn Ford e Chad Everett, e Appuntamento per una vendetta (1969) di Burt Kennedy, con Robert Mitchum. 

Negli anni Settanta appare in film come Settimo potere (1971) di Bob Wynn, Funerale a Los Angeles (1972) di Jacques Deray, F.B.I. e la banda degli angeli (1974) di Steve Carver, Labirinto (1978) di Claude Pinoteau, Vestito per uccidere di Brian De Palma, Caccia selvaggia (1980), con Charles Bronson e Lee Marvin.

A partire dagli anni Novanta dirada le sue apparizioni, apparendo in film come Sabrina (1994) di Sydney Pollack, remake del film omonimo (1954) di Billy Wilder (con Audrey Hepburn, Humphrey Bogart e William Holden) ed interpretato da Julia Ormond, Harrison Ford e Greg Kinnear, Inganno diabolico (1996) di Danny Huston, Il maschio della strega (1996) di Geraldine Creed, The Last Producer (2000) di Burt Reynolds, Un sogno per domani (2000) di Mimi Leder, con Kevin Spacey e Helen Hunt, Ocean’s Eleven - Fate il vostro gioco (2001) di Steven Soderberg, con George Clooney, Scene Smoking: Cigarettes, Cinema & Myth of Cool (2001) di Terry Moloney, 3055 Jean Leon (2006) di Agustì Vila.

In televisione esordisce in un episodio (1954) della serie Death Valley Days e, per oltre quindici anni, continuerà ad apparire in telefilm quali Broken Arrow, Buffalo Bill Jr, Carovane verso il West, Cheyenne, Il fuggiasco, Gunsmoke, Le leggendarie imprese di Wyatt Earp, Men Into Space, La parola alla difesa, Perry Mason, The Restless Gun.

Nel ’64/’65 interpreta il ruolo di Carol Tredman nel celebre telefilm medico Il dottor Kildare, con Richard Chamberlain.

Dal ’74 al ’78 è protagonista del telefilm poliziesco Pepper Anderson agente speciale (il suo ruolo televisivo più noto), che interpreta con Earl Holliman, e che narra le vicende di una caparbia donna poliziotto di Los Angeles in grado di travestirsi e infiltrarsi fra i criminali per smascherarli. Si tratta del primo telefilm poliziesco americano ad avere per protagonista una donna e, dal successo di tale serie, negli anni immediatamente successivi, ne nasceranno altre (fra cui Charlie's Angels, La donna bionica e Wonder Woman).

A partire dal 2010 si è ritirata vita privata.