Alley wordt in 1951 geboren in Wichita in de Amerikaanse staat Kansas. Na haar middelbare school en een afgebroken kunststudie reist ze af naar Los Angeles, maar in eerste instantie niet om te acteren.

Ze sluit zich aan bij de Scientology-kerk, een geestelijke beweging gebaseerd op een boek van de Amerikaan L. Ron Hubbard, waar ook Tom Cruise bij is aangesloten. Alley kampt in de jaren zeventig met een cocaïneverslaving, maar komt daar naar eigen zeggen in 1979 met hulp van scientology van af.

"Zodra ik nuchter was, had ik de moed en energie om te proberen een actrice te worden. Ik heb mijn carrière te danken aan mijn wil om nuchter te worden", aldus Alley over deze tijd. Het gaat haar niet direct voor de wind. Ze gaat eerst door nog een moeilijke periode heen voordat ze doorbreekt. Alley verliest haar moeder begin jaren tachtig door een ongeluk met een automobilist die onder invloed is. Haar vader raakt daarbij zwaargewond.

Pas in 1982 maakt Alley op 31-jarige leeftijd haar acteerdebuut met een rol in de film Star Trek II: The Wrath of Khan. De film wordt goed ontvangen en de actrice wordt teruggevraagd om de rol nog eens te spelen. Dit weigert ze om een simpele reden: voor de vervolgfilm zou ze minder betaald krijgen dan voor The Wrath Of Khan.

In de jaren daarna stromen de rollen binnen, zoals in de film Summer School en de serie North and South. Echt beroemd wordt ze pas in 1987, als Alley de rol van barmanager Rebecca Howe in de serie Cheers speelt. Ze is zes jaar lang te zien in de sitcom over een bar in de Amerikaanse stad Boston. "Ik ben geboren om sitcoms te doen, ik leef op van de reactie van het publiek", zei ze daar eerder over. De rol levert haar in 1991 zowel een Emmy als een Golden Globe op.

De serie is populair, maar de spin-off doet het nog beter. De gehele cast van Cheers is te zien in Frasier, op Alley na. Ze weigert een gastrol, omdat de serie over een radiopsycholoog botst met haar scientologyovertuigingen. In scientology gelooft men niet in psychologie.

De actrice boekt haar grootste succes op het witte doek met de comedy Look Who's Talking. In deze film speelt Alley de zwangere Mollie, die er alleen voor staat tot ze taxichauffeur James (John Travolta) ontmoet. De comedy, waarin Bruce Willis te horen is als de baby van Alley's personage, is een verrassend groot succes. De film brengt wereldwijd zo'n 297 miljoen dollar (280 miljoen euro) op.

Een jaar later volgt een tweede deel met Alley met de titel Look Who's Talking Too, dat ondanks slechte recensies 121 miljoen dollar in het laatje brengt. Bij het derde deel, Look Who's Talking Now, laten zowel de recensenten als bezoekers het afweten: de film flopt.

Na de jaren negentig wordt het, afgezien van een reeks televisiefilms, op acteergebied wat stiller rondom Alley. In de laatste tien jaar is ze nog maar weinig actief als actrice. Ze speelt haar laatste filmrol in Accidental Love uit 2015, met onder anderen Jessica Biel en Jake Gyllenhaal. Op televisie is ze in 2016 nog te zien in het tweede seizoen van de serie Scream Queens.

Alley maakt vooral nog haar opwachting in realityseries: in 2012 schopt ze het tot de finale van de Amerikaanse Dancing with the Stars. In 2018 neemt ze deel aan het laatste seizoen van het Britse Celebrity Big Brother, waar ze ook de eindronde bereikt. Eerder dit jaar wordt ze ontmaskerd als 'babymammoet' in de Amerikaanse versie van The Masked Singer.

Ook haalt ze de afgelopen jaren geregeld het nieuws vanwege haar soms controversiële uitingen. Ze steunt Donald Trump in zowel de verkiezingen in 2016, waarna hij president van de Verenigde Staten wordt, als die van 2020. Ze zegt hier later over dat Hollywood haar sindsdien negeert. Ook raakt ze in opspraak als ze zich uitspreekt tegen de nieuwe regels bij de Oscars om diversiteit in de filmindustrie te bevorderen.

Onlangs krijgt Alley van de dokter te horen dat ze kanker heeft. Ze overlijdt kort na deze ontdekking. "Hoe iconisch ze ook op het scherm was, ze was een nog fantastischere moeder en grootmoeder", schrijven haar twee kinderen na haar overlijden.