Entrata nella storia del cinema come l'attrice più giovane ad essere candidata al premio Oscar 2013 (come migliore attrice per Re della terra selvaggia), nasce in Louisiana da un'insegnante e un camioniosta; ha tre fratelli: Qunyquekya, Venjie Jr. e Vejon. La prima parte del suo nome, "Quven", è l'unione dei nomi dei suoi genitori, mentre "zhané" significa "fata" in lingua swahili. Ha frequentato la Hounduras Elementary School di Houma, Louisiana.
All'età di cinque anni si presenta al provino per il ruolo da protagonista nel film Re della terra selvaggia, mentendo sulla propria età, visto che l'età minima richiesta era di sei anni. La Wallis batte oltre 4.000 candidate al ruolo di Hushpuppy, un'indomabile bambina che vive assieme al padre in una sperduta comunità della Louisiana. Il regista del film, Benh Zeitlin, ha dichiarato di aver capito subito di aver scoperto quello che stava cercando e ha cambiato lo script del film per far spazio alla personalità della giovane protagonista.
Il film viene presentato in anteprima al Sundance Film Festival nel gennaio 2012, dove vince il Gran Premio della Giuria. In seguito vince il premio Caméra d'or per il miglior film al Festival di Cannes. La Wallis ha ottenuto diversi riconoscimenti per la sua interpretazione: oltre alla candidatura all'Oscar, i premi come miglior attrice rivelazione dei National Board of Review Awards e Satellite Awards.
Partecipa poi al film 12 anni schiavo (2013) di Steve McQueen e Fathers and Daughters (2015) di Gabriele Muccino.