Née à La Jolla en Californie, Marcia Gay Harden est diplômée de l'Université du Texas en théâtre et a poursuivi sa formation à la New York University.
En 2001, elle a obtenu l'Oscar de la meilleure actrice dans un second rôle, pour son interprétation de Lee Krasner dans Pollock, de Ed Harris.
Ce sont les frères Coen qui l'ont découverte et lui ont confié le rôle principal féminin de Miller's crossing en 1990. Elle interprète ensuite des films comme Le club des ex de Hugh Wilson, Crush d'Alison Maclean, L'enjeu de Barbet Schroeder, Gaudi Afternoon de Susan Seidelman.