Υπήρξε περισσότερο γνωστή ως η σύζυγος του ηθοποιού Χένρι Φόντα και του σκηνοθέτη Ουίλιαν Γουάιλερ.
Γεννήθηκε στο Νόρφολκ της Βιρτζίνια.
Οι γονείς της την έστειλαν εσώκλειστη σε ιδιωτικά σχολεία, ενώ αργότερα φοίτησε σε δραματική σχολή.
Είχε συνεργασία με το θεατρικό σωματείο Harvard University Players (όπου γνώρισε και τον Χένρι Φόντα, με τον οποίον παντρεύτηκε τα Χριστούγεννα του 1931) και άρχισε την καριέρα της σαν ηθοποιός στο Μπροντγουέι, στην παράσταση "A Modern Virgin" (1931).
Όμως η σχέση της με τον Φόντα δεν πήγε καλά και χώρισαν λίγους μήνες μετά τον γάμο τους.
Το 1934 παντρεύτηκε τον Ουίλιαμ Γουάιλερ (χώρισαν το 1936) και αμέσως μετά τον παραγωγό Λέλαντ Χέιγουορντ (έδώ τα πήγε κάπως καλύτερα, αφού ο γάμος κράτησε 11 χρόνια).
Γενικώς οι γάμοι και οι σχέσεις της ήσαν θυελλώδεις, με πολλούς καυγάδες.
Στον κινηματογράφο έκανε το ντεμπούτο της το 1933, στο "Only Yesterday", ενώ το 1936 έπαιξε μαζί με τον πρώην σύζυγό της Χένρι Φόντα στο "The Moon's Our Home".
Η Σάλλιβαν ήταν αυτή που βοήθησε τον Τζέιμς Στιούαρτ να μπεί στο χώρο του σινεμά.
Μαζί έπαιξαν ως κινηματογραφικό ζευγάρι σε αρκετές ταινίες, με πιο γνωστή από αυτές το "The shop around the corner" που σκηνοθέτησε ο Έρνστ Λιούμπιτς το 1940.
Στην οθόνη είχε «χτίσει» τον τύπο της γλυκιάς και χαρούμενης κοπέλας, όμως στην πραγματικότητα ήταν εγωίστρια, οξύθυμη και δύσκολη στην συνεργασία.
Εξαιτίας του κακού χαρακτήρα της έπαψε σταδιακά να βρίσκει δουλειά στον κινηματογράφο, ενώ έπεσε και στο αλκοόλ.
Την δεκαετία του ’50 άρχισε να έχει τηλεοπτικές εμφανίσεις, αλλά ούτε κι εκεί στέριωσε.
Τα τελευταία χρόνια της ζωής της άρχισε να χάνει την ακοή της.
Αυτοκτόνησε το 1960, παίρνοντας υπερβολική δόση βαρβιτουρικών.
Το 1980 η ζωή της έγινε τηλεοπτικό σίριαλ με πρωταγωνίστρια την κόρη της.