Figlia di una svedese e di un giudice in servizio nell'esercito americano, nasce nella Carolina del Sud ma studia recitazione alla North Carolina School of the Arts, prima di traslocare, alla fine degli anni Ottanta, a New York, dove viene ingaggiata principalmente per spettacoli teatrali a Broadway.

Dal teatro al grande schermo
Vince un primo premio importante ed è candidata per il prestigisio Tony Award. Frequenta, nel frattempo, l'attore Timothy Hutton.
Nel 1990 è invece nel cast del film Che mi dici di Willy?, il primo film ad affrontare il tema dell'AIDS.
Il decennio che si apre gli spalanca le porte del cinema: l'attività diventa frenetica e l'attrice prende parte a numerosi film, molti dei quali diretti da autori spiritualmente indipendenti che abilmente si servono però delle major e degli studios per realizzare le loro opere e affinare la tecnica. È il caso di Lawrence Kasdan, per cui gira Grand Canyon, o del produttore-regista Jon Avnet, autore di Pomodori verdi fritti alla fermata del treno; ma la Parker lavora anche per autentici maestri, come Woody Allen (Pallottole su Broadway) e Jane Campion (Ritratto di signora).

Il successo con Mike Nichols
Se non abbandona le scene del palcoscenico, è vero che quella del cinema diventa la sua principale professione.
Il decennio successivo è meno intenso ma forse più fortunato per l'exploit dei format televisivi: Mary-Louise Parker, con il suo volto acqua e sapone ma dotato di personalità, è perfetta protagonista tanto in Angels in America (diretta dal veterano Mike Nichols e di nuovo sul tema sempre scottante dell'AIDS) quanto in The West Wing e in Weeds.
Il cinema la vede presente insieme a Edward Norton e Ralph Fiennes in Red Dragon e per John Turturro in Romance & Cigarettes.
Nel 2001 recita, a teatro, il dramma di David Auburn ("Proof"), vincendo un Tony Award, ma le viene preferita Gwyneth Paltrow per l'adattamento cinematografico a opera di John Madden.

I figli e altri successi
Gli anni Duemila sono anche il periodo della famiglia: grazie all'attore Billy Crudup, che però la lascia al suo settimo mese di gravidanza per preferirle un'altra collega, Claire Danes, diventa madre all'età di 39 anni di William Atticus. Appena sei mesi dopo, posa nuda, nel ruolo di Eva nel Giardino dell'Eden, per la terza stagione di Weeds. Nel 2007 adotta una bambina africana di nome Ash Parker. Sempre nel 2007, esce con il bel western intimistico di Andrew Dominik L'assassinio di Jesse James per mano del codardo Robert Ford, a fianco di Brad Pitt e Casey Affleck.
Nel 2011 è ancora una volta sul grande schermo con l'adrenalinico Red, accanto a Bruce Willis, Morgan Freeman, John Malkovich e Helen Mirren.