Duvall spelade huvudrollen i sju filmer regisserade av mentorn Robert Altman, bland annat som den ikoniska seriefiguren Olive Oyl i Altmans version av "Popeye" (Karl-Alfred), där hon sjöng och spelade mot Robin Williams.
Men mest känd är hon för rollen som Wendy Torrance, hustru till Jack Nicholsons rollfigur Jack Torrance, i Stanley Kubricks skräckklassiker "The Shining" från 1980.
Duvall porträtterade också bland annat en rockjournalist i Woody Allens "Annie Hall" (1977) och spelade Steve Martins kompis Dixie i "Roxanne" (1987).
Innan hon lämnade Hollywood för hemdelstaten Texas i mitten av 1990-talet hade Duvall en blomstrande karriär både som skådespelare och vd för det egna produktionsbolaget Think Entertainment, som skapade innovativa barnspel och tv-program som ledde till två Emmy-nomineringar.
2016 gjorde Shelley Duvall en uppmärksammad intervju i pratshowen "Dr Phil" där hon avslöjade att hon led av psykisk ohälsa. 2022 återvände hon dock efter två decennier till skådespeleriet med en roll i skräckfilmen "The forest hills".