Sullivan è nata a New York, figlia di Helen (nata Rockett) e Brendan Sullivan, un dirigente pubblicitario. È cresciuta a Long Island a Freeport, nella contea di Nassau, dove si è diplomata alla Freeport High School nel 1960. Ha conseguito una laurea in teatro presso la Hofstra University nel 1964.

Ha ottenuto il suo inizio nella recitazione nel 1960 giocando al fianco di Dustin Hoffman nella commedia di Broadway Jimmy Shine. Ha ottenuto un contratto con gli Universal Studios nel 1969, guest-star in diverse serie. Fu durante questo periodo che interpretò ruoli in drammi diurni.

A partire da un ruolo in Un mondo a parte nel 1970, si trasferì a un periodo di cinque anni come Lenore Moore Curtin Delaney nella soap opera diurna Another World. Subentrando a Judith Barcroft, Sullivan interpretò il ruolo dal 1971 al 1976. Ha interpretato la fidanzata di Charlton Heston, Ann, un nuovo personaggio scritto nella versione televisiva del film Midway (1976). Ha poi interpretato il Dott. Elaina Segna al fianco di Bill Bixby in the Incredible Hulk pilot nel 1977, e ha interpretato Poker Alice al fianco di James Garner come Bret Maverick in The New Maverick l’anno successivo. Sullivan è apparso anche in Barnaby Jones; episodio intitolato ” Giudizio finale”(01/26/1978).

Ha interpretato il ruolo di Maggie Porter nel dramma televisivo Rich Man, Poor Man Book II. Julie Farr in Avere bambini dal 1978 al 1979, ed è stato nominato per un Primetime Emmy Award come miglior attrice protagonista in una serie drammatica, che è stato trasformato in due film per la televisione e poi una serie settimanale di breve durata nel 1978. Durante una settimana nel 1977, è stata una panelist su Match Game, sia sulla CBS che in syndication. Nel 1980, è apparsa nella sitcom It’s a Living, interpretando la cameriera Lois Adams.

Nel 1981, Sullivan vinse il ruolo di Maggie Gioberti nella soap drama della CBS Falcon Crest, sostituendo Samantha Eggar, che era apparsa nel pilot. La serie divenne un successo e Maggie divenne il ruolo più importante di Sullivan fino ad oggi. È apparsa nella serie dal 1981 al 1989, durante il quale è stata nominata per tre Soap Opera Digest awards. Al momento in cui Sullivan decise di lasciare la serie nel 1989, era apparsa in ogni episodio della serie fino a quella data (207 dei 227 episodi prodotti). Sullivan è apparso nel primo episodio della nona stagione, quando il suo personaggio annegato.

Dopo Falcon Crest, Sullivan è apparso in The George Carlin Show, co-protagonista nel dramma politico di breve durata The Monroes a metà degli anni 1990, e ha svolto un ruolo di supporto nel film My Best Friend’s Wedding (come la madre del personaggio di Cameron Diaz) (1997). Su Dharma & Greg, ha giocato la snooty matriarca country-club Kitty Montgomery dal 1997 al 2002. La serie riunì Sullivan con l’attore Mitchell Ryan (che interpretava suo marito Edward), con il quale aveva lavorato per avere bambini. È apparsa in quattro episodi della terza stagione di Hope and Faith come Nancy Lombard, terapeuta di Faith. Sullivan ha doppiato la regina Hippolyta nella serie animata Justice League Unlimited. È apparsa anche nelle serie televisive Brothers & Sisters, Giovanna d’Arcadia, Two and a Half Men, Dead Like Me, The Kominsky Method e Last Man Standing.

Dal 2009 al 2016, ha recitato al fianco di Nathan Fillion, Stana Katic e Molly Quinn in Castle. Il suo personaggio Martha Rodgers’ carriera di attore ha un po ” parallelo il suo, compresi i riferimenti alle apparizioni in soap opera. Una clip dell’apparizione di Sullivan in The pilot for The Incredible Hulk è stata mostrata sullo schermo, presumibilmente l’apparizione di Rodgers nella serie.