Sullivan wurde in New York City als Tochter von Helen (née Rockett) und Brendan Sullivan, einem Werbefachmann, geboren. Sie wuchs auf Long Island in Freeport, Nassau County, auf, wo sie 1960 die Freeport High School abschloss. Sie erwarb 1964 einen BA in Drama an der Hofstra University.

Sie begann in den 1960er Jahren mit der Schauspielerei und spielte neben Dustin Hoffman im Broadway-Stück Jimmy Shine. Sie erhielt 1969 einen Vertrag bei den Universal Studios und war in mehreren Serien zu Gast. Während dieser Zeit spielte sie Rollen in Tagesdramen.

Beginnend mit einer Rolle in A World Apart im Jahr 1970 wechselte sie zu einer fünfjährigen Tätigkeit als Lenore Moore Curtin Delaney in der Seifenoper Another World. Sullivan übernahm die Rolle von Judith Barcroft und spielte sie von 1971 bis 1976. Sie spielte Charlton Hestons Freundin Ann, eine neue Figur, die in die Fernsehversion des Films Midway (1976) geschrieben wurde. Sie spielte Dr. Elaina Marks gegenüber Bill Bixby in the Incredible Hulk Pilot im Jahr 1977 und porträtiert Poker Alice gegenüber James Garner als Bret Maverick auf The New Maverick im folgenden Jahr. Sullivan erschien auch in Barnaby Jones; Episode mit dem Titel „Final Judgement“ (26.01.1978).

Sie spielte die Rolle der Maggie Porter in dem Fernsehdrama Rich Man, Poor Man Book II. Sie spielte Dr. Julie Farr in Having Babies von 1978 bis 1979 und wurde für einen Primetime Emmy Award für herausragende Hauptdarstellerin in einer Drama-Serie nominiert, die in zwei Fernsehfilme und später eine kurzlebige wöchentliche Serie im Jahr 1978 gemacht wurde. Während einer Woche im Jahr 1977 war sie Diskussionsteilnehmerin bei Match Game, sowohl bei CBS als auch bei Syndication. 1980 trat sie in der Sitcom It’s a Living auf und spielte die Kellnerin Lois Adams.

1981 gewann Sullivan die Rolle der Maggie Gioberti in der CBS-Primetime-Soap Falcon Crest und ersetzte Samantha Eggar, die im Pilotfilm zu sehen war. Die Serie wurde ein Hit und Maggie wurde Sullivans bisher prominenteste Rolle. Sie erschien in der Serie von 1981 bis 1989, während dieser Zeit wurde sie für drei Soap Opera Digest Awards nominiert. Zu der Zeit, als Sullivan 1989 beschloss, die Serie zu verlassen, war sie bis zu diesem Zeitpunkt in jeder Folge der Serie aufgetreten (207 der 227 produzierten Folgen). Sullivan erschien in der ersten Folge der neunten Staffel, als ihr Charakter ertrank.

Nach Falcon Crest trat Sullivan in der George Carlin Show auf, spielte Mitte der 1990er Jahre in dem kurzlebigen Politdrama The Monroes mit und spielte eine Nebenrolle in dem Film Die Hochzeit meiner besten Freundin (als Mutter von Cameron Diaz‘ Figur) (1997). Auf Dharma & Greg spielte sie von 1997 bis 2002 die hochnäsige Country-Club-Matriarchin Kitty Montgomery. Die Serie brachte Sullivan wieder mit dem Schauspieler Mitchell Ryan (der ihren Ehemann Edward spielte) zusammen, mit dem sie an Babys gearbeitet hatte. Sie trat in vier Folgen der dritten Staffel von Hope and Faith als Nancy Lombard auf, Faiths Therapeutin. Sullivan sprach Königin Hippolyta in der Zeichentrickserie Justice League Unlimited aus. Sie ist auch in der Fernsehserie Brothers & Sisters, Jeanne d’Arcadia, Two and a Half Men, Dead Like Me, The Kominsky Method und Last Man Standing aufgetreten.

Von 2009 bis 2016 spielte sie neben Nathan Fillion, Stana Katic und Molly Quinn in Castle. Die Schauspielkarriere ihres Charakters Martha Rodgers hat etwas mit ihrer eigenen zu tun, einschließlich Hinweisen auf Auftritte in Seifenopern. Ein Clip von Sullivans Auftritt im Piloten für The Incredible Hulk wurde auf dem Bildschirm gezeigt, angeblich Rodgers ‚Auftritt in der Serie.