Mary Helgenberger nasce a Fremont nel Nebraska dalla madre Kay, infermiera, e dal padre Hugh, impiegato in una fabbrica di carni. Trascorre nel Nebraska un'infanzia tutto sommato tranquilla al fianco dei due fratelli che la vedono fin da piccola appassionarsi al mondo dell'arte, dapprima imparando a suonare il corno francese e, successivamente, inseguendo il sogno di diventare attrice professionista. Marg prosegue gli studi nell'Illinois a Evanston, laureandosi presso la Northwest University in scienze, decidendo in seguito di tornare nel Nebraska per frequentare un corso di laurea in recitazione presso l'University of Nebraska-Kearney. Qui prende avvio la sua carriera vera e propria, riuscendo perfino ad essere notata da un talent scout della soap opera Ryans Hope che la sceglie per interpretare il ruolo di Siobhan Ryan Novak vedendola recitare nella commedia di Shakespeare "La bisbetica domata" nell'estate del 1981. L'esperienza legata alla saop opera Ryan Hope rappresenta il debutto vero e proprio di Marg che entra nel mondo dello spettacolo attraverso la televisione, scegliendo, nell'arco di una lunga carriera, di non abbandonare mai il piccolo schermo, nonostante un discreto numero di apparizioni in pellicole cinematografiche.
L'esperienza relativa a Ryan Hope la tiene impegnata a lungo, quasi sei anni, nonostante appaia in altri telefilm, fino a 1988 anno in cui partecipa al dramma a puntate China Beach, per il quale interpreta il ruolo di una prostituta chiamata Koloski.
Nel 1991 arriva invece il debutto sul grande schermo con Sogni di morte di Martin Donovan con Christophere Reeve, bissando l'anno successivo con Gli occhi dell'assassino.
Pur continuando con la televisione, i primi anni novanta la vedono quindi impegnata maggiormente nel mondo del cinema, realizzando ulteriori pellicole quali ad esempio: Specie mortale, L'inferno sepolto e Species 2.
Nel 1995 invece appare per poche puntate nella serie di successo ER medici in prima linea, che la conferma come una delle attrici più richieste nell'ambito dei telefilm televisivi. Ulteriori esperienze cinematografiche la vedono impegnata verso la fine degli anni novanta in film di rilievo come Erin Brockovice In good company di Paul Weitz. Il ruolo che però forse più di tutti resta in mente allo spettatore è quello di Catherine Willows per la famosissima serie televisiva CSI che la vede impegnata dal 2002 al 2007, riscuotendo un discreto successo tra il pubblico. Sempre nel 2007 invece la vediamo al fianco di Kevin Costner e Demi Moore per Mr. Brooks film che segna l'ennesimo ritorno al grande schermo per un'attrice con una notevole esperienza.