Мэрилин Новак родилась в Чикаго 13 февраля 1933 года в семье чешских иммигрантов. Она обучалась сначала в школе грамматики, а затем была зачислена в Институт искусств в Чикаго. После его окончания Новак сменила много различных подсобных работ, прежде чем переехала в Лос-Анджелес, где стала моделью.
В 1954 году Новак впервые появилась в кино в эпизодической роли. Вскоре её заметил один из агентов Columbia Pictures и Новак подписала шестимесячный контракт с этой студией. На студии было решено изменить её имя на Ким, чтобы не возникала путаницы с Мэрилин Монро. Новак долго сопротивлялась, но не могла с этим ничего сделать. На студии также было решено, чтобы она сбросила вес и прошла курсы актёрского мастерства, для того чтобы из неё сделать замену уже уходящей на второй план Риты Хейворт.
Первые же её роли в кино стали очень популярными и у Ким вскоре появилось много фанатов, которые желали видеть её в новых фильмах. В 1955 году Ким стала обладательницей премии «Золотой глобус» за роль Мадж Оуэнс в фильме «Пикник», как Самый многообещающий новичок в кино. Эта же роль принесла ей номинацию на премию «BAFTA», как Лучшей иностранной актрисе. Следующим успешным фильмом Новак стал «Человек с золотой рукой» (1955), где главную роль исполнил Фрэнк Синатра. Вместе с ним она снялась ещё в фильме «Приятель Джои», который вышел на экраны двумя годами позже. К этому году Ким стала настолько популярной, что 29 июля 1957 года её фотография была опубликована на обложке журнала «Time».
В 1958 году Ким, вместе с Джеймсом Стюартом, снялась в главной роли в классическом триллере Альфреда Хичкока «Головокружение». Первоначально на эту роль Хичкок хотел взять Веру Майлз, но та была вынуждена отказаться из-за беременности. Ким сыграла в фильме две роли — одержимую блондинку Меделейн Элстер и продавщицу Джуди Бартон. После успеха в «Головокружении» Новак появилась вместе с Джеймсом Стюартом и Джеком Леммоном в фильме «Колокол, книга и свеча» (1958), который провалился в показе.
С началом 1960-х годов карьера Ким стала идти на спад, из-за того что она стала отказываться от многих примечательных ролей в кино. Наиболее знаменитые её роли того времени были в фильмах «Мальчики отправляются гулять» (1962), «Бремя страстей человеческих» (1964), «Поцелуй меня, глупенький» (1964) и «Любовные приключения Молл Флэндерс» (1965). Начиная с 1970-х годов Новак почти перестала сниматься, появившись в последующие годы лишь в нескольких фильмах и сыграв пару ролей на телевидении. Последний раз на большом экране Ким Новак появилась в 1991 году в фильме «Либестраум», но зрители так и не увидели её в фильме, из-за того что кадры с ней были вырезаны, после её конфликта с режиссёром.
В 1995 году Ким заняла 92 место в списке 100 самых сексуальных звёзд в истории в кино в журнале «Empire». В 1997 году на Международном берлинском кинофестивале Новак была вручена почётная статуэтка Золотого медведя, а 2002 году на церемонии вручения премии «Оскар» Ким была удостоена Награды за достижения всей жизни. Ким Новак также является обладательницей именной звезды на Голливудской аллее славы по Голливуд-бульвар 6336.
Ким дважды была замужем. Её первым мужем был английский актёр Ричард Джонсон (1965—1966). В 1976 году она вышла замуж за ветеринара доктора Роберта Маллоя, с которым остаётся вместе по сей день.