Originaire du Bronx, Ellen Barkin fait ses études la High School for the Performing Arts, puis passe une licence d'histoire au Hunter College. Elle s'initie la comédie dans la classe de Lloyd Richards, puis dans l'atelier de Marcia Haufrecht, à l'Actors Studio.
Son premier rôle professionnel dans Irish Coffee, à l'Ensemble Studio Theatre de New York, lui vaut un succès immédiat et un engagement dans la pièce Shout Across River, que suivront un contrat sur la série Search Tomorrow et quatre téléfilms : Kent state, We're fighting back, Parole et Murder, Inc. Barry Levinson remarque la jeune comédienne durant répétitions de son premier spectacle à Broadway, et l'engage en 1982 pour interpréter l'épouse délaissée de Daniel Stern dans Diner.
L'année suivante, Ellen Barkin interprète la fille rebelle de Robert Duvall dans Tender mercies de Bruce Beresford, et confi rme ses talents dans Eddie and the cruisers de Martin Davidson et Daniel de Sidney Lumet. Elle tourne ensuite L'affrontement sous la direction de Paul Newman, Les aventures de Buckaroo Banzai de W.D. Richter, Desert bloom d'Eugene Corr, Enormous Changes at the last minute de John Sayles, Down by law de Jim Jarmusch, The big easy, fi lm culte de Jim McBride, que suivront notamment Johnny belle gueule de Walter Hill, avec Mickey Rourke Mélodie pour un meurtre d'Harold Becker, avec Al Pacino, Dans la peau d'une blonde de Blake Edwards, Blessures secrètes de Michael Caton-Jones, Man trouble de Bob Rafelson, Le fan de Tony Scott, qui lui vaudra le Blockbuster Award, Attraction animale de Tony Goldwyn, etc.
Ellen Barkin compte aussi à son répertoire des pièces comme Killings on the Fast Lane, La Route au Tabac et Extremities, avec Susan Sarandon. Elle a été également la partenaire de James Cagney pour sa dernière apparition à la télévision, dans Joe Moran le terrible, et a tenu en 1988 la vedette du téléfilm de Jerry Schatzberg Enquête pour une vengeance, avec Andy Garcia.
En 2007 elle est à l'affiche de Ocean's 13 le troisième opus des aventures de Danny Ocean réalisé par Steven Soderbergh.
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