Una de las más sobresalientes actrices norteamericanas. Estudió en el Actors Studio y en el AFI Woman's Directing Workshop. Había trabajado bastante en TV antes de decidirse por intentar una carrera de starlet en la 20th Century Fox, para la cual hizo varios filmes clase B. Debutó en Don't Brother to Knock (1952), protagonizada por Richard Widmark y Marilyn Monroe, y dos años después protagonizó Gorilla at Large. Disconforme con esos trabajos, tomó una decisión que cambió su vida: regresó a Nueva York para trabajar en Broadway, donde ganó fama de actriz dramática gracias a obras como Two For the Seesaw y en The Miracle Worker. Entonces regresó a Hollywood para realizar la versión para cine de esa obra, que dirigió Arthur Penn, se llamó Ana de los milagros y le deparó a Bancroft el Oscar a la Mejor actriz.
En los años 60 y 70, sus dotes de actriz de fuerte personalidad fueron muy requeridas. En 1967 fue la seductora señora Robinson en El graduado, de Mike Nichols. Varios años más tarde volvería a recibir nominaciones al Oscar por Momento de decisión, de Herbert Ross, y Agnes de Dios, de Norman Jewison.
En las últimas dos décadas protagonizó pocos films, entre ellos Garbo Talks, de Sidney Lumet, y 84 Charing Cross, junto a Anthony Hopkins. En 1980 debutó en la dirección y como guionista en Fatso, protagonizada por Dom de Luise y ella misma, con la colaboración de su marido, el director Mel Brooks, quien no aparece en los créditos.