Nata nel 1921 a Lowell (Massachusetts), Nancy Kelly iniziò la sua carriera cinematografica come attrice bambina nel 1926, in Capricci di donna, cui seguirono altre pellicole nel cinema muto. Nel 1931 apparve anche a Broadway in Give Me Yesterday. Anche suo fratello, Jack Kelly, seguirà le sue orme nel mondo dello spettacolo.
Nancy Kelly in una foto pubblicitaria del 1955
Tornò a recitare al cinema alla fine degli anni trenta come giovane attrice in Pattuglia sottomarina (1938) di John Ford e da allora la sua carriera non conobbe interruzioni al cinema, in teatro e, dagli anni cinquanta, prevalentemente alla televisione. A suo agio sia in ruoli comici che drammatici, si segnala soprattutto per la partecipazione a film come Tail Spin (1939), Jess il bandito (1939), Varietà (1944) e Woman Who Came Back (1945). Lavorò anche alla radio (The March of Time, 1932-37) e a Broadway (Susan and God, 1937; The Big Knife, 1949; e Season in the Sun, 1950).
La sua interpretazione più celebre è quella della madre di Patty McCormack in The Bad Seed, che le valse il Tony Award per la versione teatrale a Broadway (1954-55) e la candidatura all'Oscar alla migliore attrice per quella cinematografica, Il giglio nero (1956). Da allora la carriera dell'attrice si concentrò in teatro, dove apparve, fra gli altri, nel dramma Chi ha paura di Virginia Woolf? (1962-1964), e in televisione fino al ritiro alla fine degli anni settanta.
Vita privata
Fu sposata per breve tempo (1941–1942) all'attore Edmond O'Brien, quindi nel 1946 sposò Fred Jackman Jr., figlio del cameraman e poi regista di film muti Fred Jackman; il matrimonio durò fino al 1950. Nel 1955 sposò il regista teatrale Warren Caro, matrimonio che durò fino al 1968. Da quest'ultimo matrimonio nacque nel 1957 Kelly Caro.