Nata a Chicago - nell’Illinois - nel 1933, Marilyn Pauline Novak - meglio nota con il nome “d’arte” Kim Novak - , comincia la sua carriera come modella nel 1951. Si trasferisce poi a Los Angeles, dove esordisce al cinema nel ’54 in Criminale di turno di Richard Quine, con Fred McMurray, e in Phffft…  e l’amore si sgonfia (1954) di Mark Robson, con Jack Lemmon (al suo secondo film) e Judy Holliday, per il quale si aggiudica un Golden Globe come Migliore Attrice Debuttante.

Lanciata da L’uomo dal braccio d’oro (1955) di Otto Preminger, tratto dal libro omonimo di Nelson Agren ed in cui recita con Frank Sinatra, e Picnic (1956) di Joshua Logan, con William Holden, negli anni successivi viene impiegata in ruoli che puntano sia sul suo fascino sia sulla sua bravura d’interprete come Un solo grande amore (1957) di George Sidney, con Jeff Chandler, e Pal Joey (1957) di G. Sidney,  con Frank Sinatra e Rita Hayworth, il bellissimo La donna che visse due volte (1958) di Alfred Hitchcock, con James Stewart, Barbara Bel Geddes e Tom Helmore, la commedia Una strega in paradiso (1958) di Richard Quine, in cui torna a recitare con J. Stewart e con J. Lemmon.

Se Nel mezzo della notte (1959) di Delbert Mann, con Fredric March, segnala guizzi di intensa sincerità, la stessa cosa avverrà solo in parte nei film successivi, sia pur professionalmente gradevoli, fra i quali L’affittacamere (1962) di Richard Quine, ancora con J. Lemmon, Le avventure e gli amori di Moll Flanders (1965) di Terence Young, tratto da Daniel Defoe, e nei suoi sempre più radi “ritorni”, in Quando muore una stella (1968) di Robert Aldrich, con Peter Finch, Rossella Falk, Valentina Cortese, Vittorio De Sica.

Negli anni Settanta appare in soli tre film: Delirious- Il baratro della follia (1973) di Freddie Francis, con Donald Pleasence, il western Sfida a White Buffalo (1977) di Jack Lee Thompson, con Charles Bronson, Gigolo (1978) di David Hemmings, con David Bowie, Marlene Dietrich, Curd Jürgens.

Fra le altre pellicole ricordiamo Il figlio di Sinbad (1955) di Ted Tetzlaff, 5 contro il casinò (1955) di Phil Karlson, con Brian Keith, Incantesimo (1956) di George Sidney, con Tyrone Power, Noi due sconosciuti (1960) di Richard Quine, con Kirk Douglas e Walter Matthau, Pepe (1960) di George Sidney, Venere in pigiama (1962) di Michael Gordon, con James Garner, Schiavo d’amore (1964) di Ken Hughes e Henry Hathaway, tratto dal libro omonimo di William Somerset Maugham ed in cui recita con Laurence Harvey, Quel fantastico assalto alla banca (1969) di Hy Averback, Assassinio allo specchio (1980) di Guy Hamilton, tratto dal libro omonimo di Agatha Christie ed interpretato da Angela Lansbury, Elizabeth Taylor, Rock Hudson e Tony Curtis, The Children (1990) di Tony Palmer, Lieberstraum (1991) di Mike Figgis.

Attiva anche in televisione, è apparsa in alcuni film tv - La terza ragazza a sinistra (1973) di Peter Medak, Il triangolo di Satana (1975) di Sutton Roley - e in alcuni episodi di serie – l’episodio pilota di Alfred Hitchcock Presents (1985), Falcon Crest (1986-87, circa venti episodi) - e miniserie - Malibu (1983) di E. W. Swackhamer.

A partire dall'inizio degli anni Novanta si ritira a vita privata nel suo ranch, dedicandosi all'altra sua grande passione: i cavalli. Nel 2013 è ospite d’onore e madrina del Festival di Cannes in occasione della proiezione della versione restaurata di La donna che visse due volte.