Shelley, Teksas'taki Waltrip Lisesi'nden mezun oldu ve ilk başta kozmetik satış elemanı oldu. Shelley 1970 yılında yerel bir partide yetenek avcıları tarafından keşfedildi. Yönetmen Robert Altman o sıralarda çekmekte olduğu bir filmde Shelley'i oynatmak istiyordu. O dönemde lise oyunlarında oyunculuk deneyimi olan Shelley, Altman'ın teklifini kabul etti ve ilk filmi Brewster McCloud'da rol aldı. Altman onun performansından o kadar etkilendi ki Shelley sonraki filmlerinde de yer aldı: 1971'de McCabe and Mrs. Miller, 1974'te Thieves Like Us ve 1975'te Nashville. Bu üç başarılı filmin yanı sıra, Duvall'ın oyunculuğu 1977'de 3 Kadın filmindeki Mille Lammoroux rolüyle parladı. Duvall'ın oyunculuğu o kadar mükemmeldi ki 1977 Cannes Film Festivali'nde En İyi Kadın Oyuncu ödülünü kazandı. Shelley ayrıca 1976'da Joan Micklin Silver'ın Bernice Bobs Her Hair filminde Bernice rolünde oynadı ve 1977'de Woody Allen'ın Annie Hall filminde bir cameo yaptı. Shelley aynı yıl Saturday Night Live'ın bir bölümünü de sundu.

1980'lere gelindiğinde Duvall'ın kariyeri yeni başlıyordu. Stanley Kubrick'in The Shining filminde Jack Nicholson'la birlikte oynadığı "Wendy Torrance" rolüyle tanınır. Bu filmin yapımı sırasında Kubrick, Duvall'a psikolojik olarak eziyet etmiş, onun büyük stres yaşamasına neden olmuş ve ruhsal durumunu etkilemiştir. Kubrick çekimler sırasında çoğu zaman Duvall'ı tamamen görmezden geliyor ya da onu büyük bir korku ve sıkıntıya sokacak durumlara sokuyordu. Bunun en bariz örneği Kubrick'in Duvall ve Nicholson'ın yer aldığı ünlü "beyzbol sopası sahnesini" 127 kez çekmesidir ki bu, bir film setinde en fazla sayıda çekim yapma konusunda dünya rekorudur.

1979 yılının Ocak ayında Robert Altman, Duvall'a filmlerinden birinde bir rol daha teklif eder. Ancak bu rol, Altman'ın onun oynamak için doğduğuna inandığı belirli bir roldü. Bu kesin rol Temel Reis'in gerçek hayat versiyonundaki "Olive Oyl" idi. Shelley, çocukken ilkokulda kendisine olumsuz bir şekilde "Olive Oyl" denmesine dair kötü anıları nedeniyle rolü kabul etme konusunda ilk başta şüpheciydi. Neyse ki rolü almaya karar verdi ve takdire şayan bir performans sergiledi. Shelley bu filmde birkaç şarkı da söyler. Bunlardan en ünlüleri Punch Drunk Love filminde de yer alan "He's Large" ve "He Needs Me" şarkılarıdır.

1980'lere gelindiğinde Shelley'nin kariyeri hiç yavaşlamadı. 1981'de Terry Gilliam'ın Time Bandits filminde yardımcı oyuncu olarak yer aldı; Tim Burton'ın Frankenweenie (1984) filminde "Susan Frankenstein "ı canlandırdı ve 1987'de Steve Martin'in başrolünü oynadığı hit komedi filmi Roxanne'de rol aldı. 1982'den 1986'ya kadar Shelley film kariyerine devam etti ama farklı bir açıdan. Shelley 17 yaşından beri çeşitli resimli klasik masal kitaplarından oluşan bir koleksiyona sahipti. Temel Reis'in çekimleri sırasında koleksiyonunu Robin Williams'a gösterdi. Robin'e gösterdiği masallardan biri de "Kurbağa Prens "ti. Robin'i gerçek hayattaki Kurbağa Prens olarak hayal eden Shelley, kendi yapım şirketi Platypus Productions'ı kurdu. Shelley, peri masallarına dayanan bir televizyon programı yayınlama fikriyle Showtime'a gitti. Showtime'ın yayınladığı ve birçok klasik peri masalına dayanan popüler bir televizyon dizisi olan Fairy Tale Theatre'ın yapımcılığını üstlendi. Fairy Tale Theatre 1982-1987 yılları arasında televizyonda yayınlandı. Her bölüm bir saatlik bir diziydi ve hepsi Shelley Duvall tarafından sunulan toplam yirmi altı bölüm vardı. Shelley ayrıca yirmi altı bölümden dördünde rol aldı. 1985 yılında Bayan Duvall, 1988 yılında sona erene kadar üç yıl boyunca yayınlanan Tall Tales and Legends'ı yarattı. Fairy Tale Theatre'a benzer şekilde, Tall Tales and Legends da Duvall tarafından sunulan, üretilen ve konuk oyuncu olarak rol alınan bir saatlik bir diziydi. Sadece dokuz bölümden oluşmasına rağmen Shelley bu diziyle Emmy'ye aday gösterildi. 1980'lerin sonu ve 1990'ların başında Shelley Think Entertainment'ı keşfetti; başka bir yapım şirketi Shelley'nin yaygın kablo kanallarında yayınlanan televizyon için yapılmış daha fazla program ve film yaratmasına yardımcı oldu. Shelley bu yapım şirketiyle Showtime'da yayınlanan üç programın daha yapımcılığını üstlendi: Nightmare Classics, Shelley Duvall's Bedtime Stories ve Mrs. Piggle Wiggle. Bedtime Stories programı ona 2. Emmy Adaylığı kazandırdı. Shelley 1993 yılında Think Entertainment'ı sattı ve yapımcı olarak emekli oldu.

1989 yılında Shelley, Disney Channel filmi Mother Goose Rock 'n' Rhyme'ın (1990) çekimleri sırasında Dan Gilroy ile tanıştı, ikili birbirlerine aşık oldu ve o zamandan beri birlikteler.

Shelley Duvall'ın sonraki kariyeri ona bir dizi farklı rol buldu. 1998'de aile komedisi Home Fries'da Drew Barrymore'un karakterinin annesi "Bayan Jackson "ı canlandırdı. Shelley'nin rol aldığı diğer komedi filmleri 1991'de Suburban Commando ve 1997'de Changing Habits oldu. Ayrıca aşağıdaki gibi çeşitli TV dizilerinde cameo'ları vardı: Frasier, L.A. Law, The Ray Bradbury Theater, Wishbone ve diğerleri. Shelley 1999'da The 4th Floor'da "Martha Stewart" rolüyle korku türüne geri döndü ve 2000'de hem komedi hem de korku türünden oluşan Big Monster On Campus'te "Bayan Stein" rolünü oynadı.

2002 yılından bu yana herhangi bir filmde rol almayan Shelley Duvall, Blanco, Teksas'ta sakin ve huzurlu bir yaşam sürmektedir. Los Angeles'taki evi bir depremde hasar gördükten sonra 1994'ten beri Blanco'da yaşıyor. Son birkaç yıldır, Duvall'ın bir "münzevi" olduğuna ve gerçeklikle temas halinde olmadığına dair çeşitli söylentiler vardı. Ancak 2010 yılında MondoFilm VideoGuide tarafından yapılan yeni bir röportaj Shelley'nin her zamanki gibi normal ve gerçekliğin farkında olduğuna dair güçlü kanıtlar içeriyordu. Bu röportajda ayrıca Teksas'taki evinde birkaç hayvana baktığını ve çok sayıda şiir yazdığını ve oyunculuğa geri dönmenin her zaman bir olasılık olduğunu belirtmiştir.