Geboren wurde Cyd Charisse am 8. März 1921 im texanischen Amarillo geboren als Tula Ellice Finklea. Zu dem Spitzname „Cyd“ kam sie, weil eines ihrer Geschwister sie immer „sis“ (Kurzform von „sister“ – Deutsch: „Schwester“) nannte, dabei allerdings lispelte.
Cyd Charisse bekam in Los Angeles eine Ballettausbildung bei Adolph Bolm und Bronislawa Nijinska und trat unter dem Namen Siderova mit den Ballets Russes auf. Mit dem Zweiten Weltkrieg löste sich die Gruppe auf und Charisse ging zurück nach Los Angeles. Dort bot ihr David Lichine eine Rolle in Gregory Ratoffs Stück „Something to Shout

About“ (1943) an. Dadurch weckte sie die Aufmerksamkeit von Robert Alton, der auch Gene Kelly entdeckt hat, und Cyd Charisse wurde als Tänzerin der Truppe von Arthur Freed bei MGM engagiert, wo damals die wichtigsten Musicals produziert wurden.
Cyd Charisse feiert ihre größten Erfolge als Partnerin von Fred Astaire in dem Film „Vorhang auf!“ (1953) und „Seidenstrümpfe“ (1957) sowie von Gene Kelly in „Singin’ in the Rain“ (1952) und „Brigadoon“ (1954). Ab den sechziger Jahren stand sie nur noch ab und zu vor der Kamera, zum Beispiel an der Seite von Marilyn Monroe in deren letztem, unvollendeten Film „Marilyn – Ihr letzter Film“ (1962). Im Fernsehen und auf der Bühne war sie weiterhin zu sehen. Im Jahr 2000 wurde Cyd Charisse den Nijinsky-Preis für ihr tänzerisches Lebenswerk verliehen und sechs Jahre später erhielt sie die National Medal of Arts.
Cyd Charisse war von 1939 bis 1947 mit dem Choreografen Nico Charisse und seit 1948 war sie mit dem Sänger Tony Martin verheiratet – mit beiden Männern hatte sie einen Sohn. Nach einem Herzinfarkt wurde sie am 16. Juni 2008 in das Cedars-Sinai Medical Center in Los Angeles eingeliefert, wo sie am nächsten Tag verstarb.