Mary Elizabeth Winstead è nata il 28 novembre 1984 a Rocky Mount, North Carolina, da Betty Lou (nata Knight) e James Ronald Winstead, ed è la più giovane di cinque figli. Suo nonno era un cugino dell'attrice Ava Gardner. Quando aveva cinque anni, la sua famiglia si trasferì a Sandy, nello Utah. Ha frequentato le elementari di Peruvian Park, dove ha preso lezioni avanzate. Ha studiato danza in un programma estivo del Joffrey Ballet a Chicago e ha cantato nell'International Children's Choir. Durante la sua giovinezza, Winstead inizialmente sperava di intraprendere la carriera di ballerina ed è apparsa in produzioni di balletto locali. Diventata adolescente, è stata indotta a lasciare il balletto a causa della sua altezza. In seguito ha dichiarato: "Mi sono resa conto abbastanza presto che ero già troppo alta quando avevo 13 anni ... sai, il tuo corpo deve rimanere così per tutta la tua vita, ed è piuttosto duro per i tuoi muscoli e le tue ossa." Rendendosi conto che una carriera di ballerina era improbabile, Winstead si dedicò alla recitazione. Dato che all'epoca era ancora un'adolescente, questo le richiedeva di essere istruita a casa per la maggior parte del liceo.

Ulteriore successo è arrivato con i suoi ruoli come la figlia di John McClane Lucy Gennero-McClane in Live Free or Die Hard (2007) e Ramona Flowers in Scott Pilgrim vs. the World (2010). La sua performance acclamata dalla critica come alcolista alle prese con la sobrietà nel dramma del Sundance Smashed (2012) è stata seguita da una serie di ruoli in altri film indipendenti ben accolti, tra cui The Beauty Inside (2012), The Spectacular Now (2013), Faults (2014), Alex of Venice (2014) e Swiss Army Man (2016). La Winstead ha continuato i suoi ruoli in Scream Queen nel film horror sul corpo The Thing (2011), nei panni di Mary Todd Lincoln nel film horror fantasy Abraham Lincoln: Vampire Hunter (2012) e nel film horror thriller psicologico 10 Cloverfield Lane (2016).

Ha ripreso il ruolo di Lucy Gennero-McClane in A Good Day to Die Hard (2013) ed è tornata in televisione con ruoli nella serie drammatica soprannaturale The Returned (2015), nella serie commedia di satira politica / fantascienza BrainDead (2016), la serie periodica di drammi medici Mercy Street (2016-17) e la serie antologica di commedia nera / crime drama Fargo (2017). I suoi ruoli recenti includono la commedia drammatica All About Nina (2018), il thriller d'azione Gemini Man (2019) e la Cacciatrice in Birds of Prey (2020).

Dal 2013, Winstead si è esibita come metà del duo musicale Got a Girl, con Dan the Automator.