Hermana mayor de Natalie y Constance Talmadge, todas estrellas del cine mudo estadounidense. A instancias de su madre, debutó en cine en 1910. A los 14 años protagonizó A Tale of Two City (1911). Posteriormente trabajó en numerosos filmes para Vitograph, Triangle y otras productoras. Su estrellato comenzó cuando se casó con el productor Joseph Schenck, quien se hizo cargo de su carrera en 1916. Con los años fundó la Norma Talmadge Film Corporation, que luego pasó a ser parte de First National y más tarde de United Artist.
Norma fue una gran estrella en los años 20, durante los cuales se especializó en los melodramas. Aunque se separó de Schenckl en 1926, él siguió encargándose de su carrera. En total, entre los años 10 y los 30 trabajó en unos 90 filmes. Su último papel fue el de Madame Du Barry en el film sonoro Du Barry, Woman of Passion, de Sam Taylor. Como otros artistas de su genración, Norma se vio afectada por el surgimiento del cine sonoro, por lo cual decidió retirarse a vivir de su considerable fortuna. La historia de las hermanas Talmadge fue volcada en un libro escrito por Anita Loos, The Talmadge Girls, editado en 1978.