Charisse se 8. marta 1922. godine rodila kao Tula Elice Finklea, kći draguljara u teksaškom gradu Amarillo. Nadimak "Cyd" je stekla zato što njen mali brat nije mogao izgovoriti riječ "Sis" ("sestra"). Još kao djevojčica je otkrila talent za ples, a s 14 godina je na audiciji stekla pravo da se školuje u uglednoj plesnoj školi koju su u Kaliforniji vodili Adolph Brom i Bronislawa Nijinska. Nakon toga se priključila elitnoj baletnoj trupi Ballets Russes s kojom je nastupala po svijetu.
Godine 1939. se vjenčala za svog učitelja plesa Nica Charissea, kojemu je 1942. godine rodila sina Nica. Zbog izbijanja drugog svjetskog rata Ballets Russes je prestao s radom, te se Charisse vratila u SAD. Tamo su je zapazili holivudski agenti, te je početkom 1940-ih dobila prve filmske uloge.
Charisse se zaposlila kao stalni član plesačke trupe filmskog studija MGM - koji je tada proizvodi vrhunske mjuzikle. Njen talent je zapazio koreograf Robert Alton koji je doveo u kontakt s Fredom Astaireom i Geneom Kellyjem - dvojicom najboljih plesača svog vremena. Ubrzo je Charisse počela dobivati uloge u nizu hvaljenih MGM-ovih mjuzikala.
Nakon razvoda s Nicom Charisseom, Cyd Charisse se godine 1948. udala za pjevača Tonyja Martina. S njime je 1950. dobila sina Tonyja Martina Juniora. S obzirom da je bila trudna, izmakla joj je prilika da s Kellyjem tumači glavnu ulogu u hvaljenom mjuziklu "Amerikanac u Parizu", a koja je pripala Leslie Caron.
Kelly i MGM su joj je godinu dana kasnije dali novu priliku u slavnom filmu "Pjevajmo na kiši". Iako se njen lik tajanstvene dame pojavljuje tek u fantazijskoj sekvenci "Broadway Melodies", njen nastup se smatra jednim od najboljih u povijesti plesa na filmu. Godinu dana kasnije je dobila svoju prvu glavnu ulogu u filmu "Band Wagon", a slijedili su veliki uspjesi s filmskim mjuziklima "Brigadoon", "It's Always Fair Weather" i "Brigadoon".
Charissein talent je bio takav da je 1950-ih objavljeno kako je MGM dao osigurati njene noge na 5 milijuna dolara. Međutim, mnogo desetljeća kasnije Charisse je rekla kako je u pitanju bila namjerno lansirana "patka" u svrhu podizanja publiciteta.
Charisse se krajem 1950-ih odlučila prestati baviti plesom na filmu, ali je povremeno nastupala u manjim ulogama u filmovima i na televiziji. Godine 1992. je imala brodvejski debi u kazališnoj adaptaciji "Grand Hotela" gdje je tumačila ostarjelu balerinu.
Charisse je preminula u bolnici Cedar-Sinai u Los Angelsu, dan nakon što je primljena zbog srčanog udara.
