Морин Паула О’Салливан родилась в небольшом городке Бойл ирландского графства Роскоммон 17 мая 1911 года в семье Мэри Ловатт и Чарльза Джозефа О’Салливана. Начальное образование она получила в монастырской школе в Дублине, а затем обучалась в монастыре Святого Сердца Иисуса в Лондоне, где её одноклассницей была Вивьен Ли. Закончив обучения Морин вернулась в Дублин.
Её кинокарьера началась после того, как она встретила режиссёра Фрэнка Борзейги, пригласившего её на небольшую роль в своём фильме «Песня моего сердца» (1930). После выхода фильма на экраны Морин переехала в Голливуд, где решила серьёзно заняться актёрской карьерой. В последующие пару лет Морин снялась в нескольких фильмах на студиях 20th Century Fox и «MGM», а затем режиссёр Ирвинг Талберг и взял на роль Джейн Паркер в фильм «Тарзан: Человек-обезьяна» (1932). Эта роль стала звёздной в карьере О’Салливан и в последующие годы этого десятилетия она была очень востребована в Голливуде, снявшись ещё шесть раз в роли Джейн в продолжениях фильма. Морин также появилась в фильмах «Тонкий человек» (1934), «Барреты с Уимпол-стрит» (1934), «Девид Копперфилд» (1935), «Анна Каренина» (1935), «Дьявольская кукла» (1936), «День на скачках» (1937), «Янки в Оксфорде» (1938), «Гордость и предубеждение» (1940) и многих других.
После выхода на экраны фильма «Приключение Тарзана в Нью-Йорке» (1942) Морин на несколько лет прекратила сниматься, посвятив себя мужу, актёру и режиссёру Джону Фэрроу, и дочери, Мии Фэрроу. Позже Морин родила от Джона ещё шестерых детей, трое из которых в будущем также связали свою карьеру с кино.
В последующие годы О’Салливан намного меньше стала появляться на большом экране, и в большей степени снималась на телевидении и выступала на Бродвее. В конце 1980-х годов Морин сыграла несколько крупных ролей в кино, среди которых Норма, мать героини Мии Фэрроу, в «Ханна и её сёстры» (1986), Элизабет Алворг в «Пегги Сью вышла замуж» (1986) и Грейси Кларк в «Изгнанники» (1987). В 1990 году у неё появилась звезда на Голливудской аллее славы на Голливуд-бульвар 6541.
Морин О’Салливан умерла от осложнений после операции на сердце 23 июня 1998 года в возрасте 87 лет.