Marilyn Pauline Novak néven Chicagóban született egy Csehországból emigrált vasúti munkás családjában. Elvégzett ugyan egy modelltanfolyamot, de az általa elképzelt karrier még messze volt, így mielőtt Hollywooddal egymásra találtak, volt eladó, liftkezelő s egy hűtőszekrénygyár háziasszonya. Utóbbi minőségében bizonyos ismertségre tett szert, így kezdődhetett meg filmes pályafutása. A huszonegy éves lányt 1954-ben a Columbia Pictures szerződtette, neki szánták a nehezen kezelhető Rita Hayworth helyett a szőke szexbomba szerepkörét. Barna haját platinaszőkére festették, arckifejezése "vampos" lett, két keresztnevét törölnie kellett, vezetéknevét azonban nem engedte megváltoztatni.
Az ötvenes évek második felében és a hatvanas évek elején mint a Columbia első számú erotikus attrakciója hódított a filmvásznon. Első jelentős alakítását Otto Preminger kábítószer-témájú Az aranykezű emberében (1955) nyújtotta, s még ebben az évben Joshua Logan Piknikjében is sikere volt. Néhány filmben azt is bebizonyíthatta, hogy gazdag színészi eszköztára, sőt humorérzéke is van. Sokoldalúságát igazolta a húszas évek népszerű sztárjának életútját bemutató Jeanne Eagels címszerepe (1957), a Billy Wilder rendezte Csókolj meg, te hülye! (1964) című vígjáték, Alfred Hitchcock Szédülés című thrillerjében James Stewart oldalán játszott kettős szerepet, remekül. A filmezés mellett sokat rádiózott és televíziózott is.
A hatvanas évektől karrierje megbicsaklott, nem kis részben azért, mert nem fogadta el a neki felkínált "buta szőke" szerepeket. Magának is tehetett azonban szemrehányást, hiszen visszautasította az Álom luxuskivitelben főszerepét, amelyben aztán Audrey Hepburn csillogott. A hetvenes évek közepén hátat fordított Hollywoodnak és állatorvos férjével egy farmra költözött, ahol lovakat és lámákat tenyésztenek. A filmtől teljesen nem szakadt el, a közönség a Csak egy dzsigoló (1978), A kristálytükör meghasadt (1980), a Szerelmi álom (1991) című filmekben láthatta. 1991-ben szerepelt volna utoljára a filmvásznon - ha ki nem vágják a vele forgatott jeleneteket, mert szakmai vitába keveredett a rendezővel.
Kim Novak fénykorában zajos magánéletével is szolgáltatott témát a sajtónak. Viharos szerelmi kapcsolata volt a nős Frank Sinatrával, a fekete énekes-színész Sammy Davis-szel, a dzsesszgitáros Al Shackmannel, hódolói közé tartozott Cary Grant, viszonya volt Rafael Trujillóval, a dominikai diktátor fiával, emellett kétszer volt férjnél.
Annak ellenére, hogy Amerikában évtizedeken keresztül minden filmje biztos kasszasiker volt, művészi elismerésben nem részesült. Ezért volt elégtétel számára, hogy 1997-ben, a 47. Berlini Nemzetközi Filmszemlén életművéért Arany Medve-díjjal tüntették ki.
