Mary Elizabeth Winstead (28 de novembro de 1984), em Rocky Mount, Carolina do Norte, filha de Betty Lou (nascida Knight) e James Ronald Winstead, e é a mais nova de cinco irmãos. Seu avô era primo da atriz Ava Gardner. Quando ela tinha cinco anos, sua família mudou-se para Sandy, Utah. Ela frequentou o Peruvian Park Elementary, onde teve aulas avançadas. Ela estudou dança no programa de verão do Joffrey Ballet em Chicago e cantou no International Children's Choir. Durante sua juventude, Winstead inicialmente esperava seguir a carreira de bailarina e apareceu em produções de balé locais. Quando ela entrou na adolescência, ela foi forçada a abandonar o balé devido à sua altura. Mais tarde, ela afirmou: "Percebi bem cedo que já era muito alta aos 13 anos ... você sabe, seu corpo tem que permanecer assim por toda a vida e é muito difícil para seus músculos e ossos . " Percebendo que uma carreira de dança era improvável, Winstead passou a atuar. Como ela ainda era uma adolescente na época, isso exigia que ela estudasse em casa durante a maior parte do ensino médio.

Sucesso adicional veio com seus papéis como filha de John McClane, Lucy Gennero-McClane em Duro de Matar 4.0 (2007) e Ramona Flowers em Scott Pilgrim contra o Mundo (2010). Seu desempenho aclamado pela crítica como uma alcoólatra lutando contra a sobriedade no drama de Sundance Smashed (2012) foi seguido por uma série de papéis em outros filmes independentes bem recebidos, incluindo The Beauty Inside (2012), O Maravilhoso Agora (2013), Faults (2014), Alex de Veneza (2014) e Um Cadáver para Sobreviver (2016). Winstead continuou seus papéis de Scream Queen no filme de terror corporal A Coisa (2011), como Mary Todd Lincoln no filme de terror de fantasia Abraham Lincoln: Caçador de Vampiros (2012) e no filme de terror psicológico Rua Cloverfield, 10 (2016).

Ela reprisou seu papel como Lucy Gennero-McClane em Duro de Matar - Um Bom Dia para Morrer (2013) e voltou à televisão com papéis na série dramática sobrenatural The Returned (2015), a série de comédia de sátira política / ficção científica BrainDead (2016), a série de drama médico de época Mercy Street (2016–17) e a série de antologia de humor negro / drama policial Fargo (2017). Seus papéis recentes incluem a comédia dramática All About Nina (2018), o thriller de ação Projeto Gemini (2019) e como a caçadora em Aves de Rapina: Arlequina e Sua Emancipação Fantabulosa (2020).

Desde 2013, Winstead se apresenta como a metade da dupla musical Got a Girl, com Dan the Automator.