Nacida en Nueva York como Betty Joan Perske en 1924 adoptó una variación del nombre de soltera de su madre tras el divorcio de sus padres. Tras desempeñar papeles menores y ejercer como modelo, actuó en su primer papel importante a las órdenes del director Howard Hawks en 'Tener y no tener' (1944), en la que el actor protagonista fue Bogart.
Bacall y Bogart se casaron un año después y actuaron juntos en 'El sueño eterno' (1946), 'La senda tenebrosa' (1947) y 'Cayo Largo' (1948). Tras el fallecimiento de Bogart, contrajo matrimonio con el también actor Jason Robards, con el que tuvo un hijo, Sam Robards.
Entre sus películas más destacadas figuran 'Harper' (1966), junto a Paul Newman, 'Asesinato en el Orient Express' (1974) y 'El último pistolero', que fue además la última película en la que actuó John Wayne.