Дебютировала на Бродвее в 1957 году как Ellen McRae и начала сниматься в кино под этим именем. С 1964 года играла исключительно в сериале «The Doctors». Приняв фамилию супруга в 1969 году, два года спустя она была номинирована на «Оскар» за лучшую роль второго плана. После этого её карьера стремительно пошла в гору.
В 1974 году Бёрстин выиграла «Оскар» за лучшую женскую роль в фильме «Алиса здесь больше не живёт». Решив сыграть главную роль в этой ленте, она в своё время выкупила права на её постановку и, после некоторых колебаний, доверила режиссуру молодому Скорсезе. В том же году была удостоена театральной премии «Тони».
После оскаровского триумфа Бёрстин сделала трехлетнюю паузу в своей кинокарьере. В 1978 году снялась у великого Алена Рене, однако этот проект не имел такого успеха, как её следующие работы, «В это же время, в следующем году» (1979) и «Воскрешение» (1981).
В 2001 году Эллен Бёрстин вновь была номинирована на «Оскар», на этот раз за фильм «Реквием по мечте», однако уступила награду Джулии Робертс. В 2006 году много шума в прессе вызвало её выдвижение на «Эмми» за эпизодическую роль в телефильме «Миссис Харрис» продолжительностью 14 секунд, в течение которых она произносит всего 38 слов.