Sullivan est née à New York, fille d’Helen (née Rockett) et de Brendan Sullivan, un directeur de la publicité. Elle a grandi à Long Island à Freeport, dans le comté de Nassau, où elle est diplômée de la Freeport High School en 1960. Elle a obtenu un baccalauréat en art dramatique de l’Université Hofstra en 1964.

Elle a commencé à jouer dans les années 1960 en jouant face à Dustin Hoffman dans la pièce de Broadway Jimmy Shine. Elle décroche un contrat avec Universal Studios en 1969, où elle joue dans plusieurs séries. C’est à cette époque qu’elle a joué des rôles dans des drames de jour.

Commençant par un rôle dans Un monde à part en 1970, elle passe à un passage de cinq ans en tant que Lenore Moore Curtin Delaney dans le feuilleton de jour Another World. Prenant la suite de Judith Barcroft, Sullivan a joué le rôle de 1971 à 1976. Elle a joué la petite amie de Charlton Heston, Ann, un nouveau personnage écrit dans la version télévisée du film Midway (1976). Elle a ensuite joué le Dr. Elaina marque face à Bill Bixby dans l’incroyable pilote de Hulk en 1977, et dépeint Poker Alice face à James Garner dans le rôle de Bret Maverick dans The New Maverick l’année suivante. Sullivan est également apparu dans Barnaby Jones; épisode intitulé « Final Judgement » (26/01/1978).

Elle a joué le rôle de Maggie Porter dans le drame télévisé Rich Man, Poor Man Book II. Elle a joué le Dr. Julie Farr dans Having Babies de 1978 à 1979, et a été nominée pour un Primetime Emmy Award de la Meilleure actrice principale dans une série dramatique, qui a été transformée en deux téléfilms et plus tard en une série hebdomadaire de courte durée en 1978. Pendant une semaine en 1977, elle est panéliste sur Match Game, à la fois sur CBS et en syndication. En 1980, elle est apparue dans la sitcom It’s a Living, jouant la serveuse en chef Lois Adams.

En 1981, Sullivan a remporté le rôle de Maggie Gioberti dans le feuilleton télévisé Falcon Crest de CBS, en remplacement de Samantha Eggar, qui était apparue dans le pilote. La série est devenue un succès et Maggie est devenue le rôle le plus important de Sullivan à ce jour. Elle est apparue dans la série de 1981 à 1989, période au cours de laquelle elle a été nominée pour trois Soap Opera Digest awards. Au moment où Sullivan a décidé de quitter la série en 1989, elle était apparue dans tous les épisodes de la série jusqu’à cette date (207 des 227 épisodes produits). Sullivan est apparue dans le premier épisode de la saison neuf, lorsque son personnage s’est noyé.

Après Falcon Crest, Sullivan est apparu dans le George Carlin Show, a co-joué dans le drame politique éphémère The Monroes au milieu des années 1990, et a joué un rôle de soutien dans le film Le mariage de Mon meilleur ami (en tant que mère du personnage de Cameron Diaz) (1997). Sur Dharma &Greg, elle a joué la matriarche du country-club snooty Kitty Montgomery de 1997 à 2002. La série a réuni Sullivan avec l’acteur Mitchell Ryan (qui jouait son mari Edward), avec qui elle avait travaillé pour avoir des bébés. Elle est apparue dans quatre épisodes de la troisième saison de Hope and Faith en tant que Nancy Lombard, thérapeute de Faith. Sullivan a exprimé la reine Hippolyta dans la série animée Justice League Unlimited. Elle est également apparue dans les séries télévisées Brothers&Sisters, Joan of Arcadia, Two and a Half Men, Dead Like Me, The Kominsky Method et Last Man Standing.

De 2009 à 2016, elle a joué aux côtés de Nathan Fillion, Stana Katic et Molly Quinn dans Castle. La carrière d’actrice de son personnage Martha Rodgers a quelque peu été parallèle à la sienne, y compris des références à des apparitions dans des feuilletons. Un clip de l’apparition de Sullivan dans le pilote de l’Incroyable Hulk a été montré à l’écran, censé être l’apparition de Rodgers dans la série.