Gaynor va ser filla de Pauline Fisher (ballarina) i d’Henry von Gerber (violinista, violoncel·lista i director musical).
La seva família es va mudar a Detroit i, quan tenia onze anys, a Hollywood. De nena es va formar com a ballarina i va començar la seva carrera com a ballarina de teatre. Als 13 anys estava cantant i ballant amb la companyia de Los Angeles Civic Light Opera. Ella va mentir sobre la seva direcció per poder estudiar a l’escola Hollywood High School.
Als 17 anys va signar un contracte de set anys amb Twentieth Century-Fox. Va actuar, cantar i ballar en una sèrie de pel·lícules musicals, sovint vinculats amb algunes de les més grans estrelles masculines musicals de l’època. Un executiu de Fox Studio li va canviar el nom de Marlene Gerber per Mitzi Gaynor.
Papers notables van incloure There ‘s no business like show business (Llums de candilejas, 1954), que va comptar amb música d’Irving Berlin i també va protagonitzar Ethel Merman, Dan Dailey, Marilyn Monroe, Donald O’Connor i Ray Johnnie.
Es va casar amb Jack Bean, un agent de talent i executiu de relacions públiques per a la MCA, a San Francisco, Califòrnia el 18 de novembre de 1954. Ella acabava de ser alliberada del seu contracte amb la Twentieth Century-Fox (abans de l’inici de Llums de candilejas) amb quatre anys restants en el seu contracte i decidirà amb el temps lliure per casar-se. No van tenir fills. Després del seu matrimoni Bean va abandonar la MCA i va començar el seu propi negoci de béns arrels i va administrar la carrera d’Gaynor.
També va aparèixer a Les Girls (1957, dirigida per George Cukor) amb Gene Kelly i Kay Kendall, i el remake de Anything Goes (1956), coprotagonitzada per Bing Crosby, Donald O’Connor i Jeanmaire Zizi, vagament basada en la musical de Cole Porter, PG Wodehouse i Bolton Guy. La seva major fama internacional vi de la seva paper protagonista com Ensign Nellie Forbush en la versió cinematogràfica de Pacífic Sud (de Rodgers i Hammerstein). Per la seva actuació, va ser nominada a un Globus d’Or com a millor actriu. A principis de 1960 va fer la seva última pel·lícula fins a la data.
Una de les seves últimes pel·lícules va ser la producció britànica Surprise Package (1960), un thriller comèdia musical dirigit per Stanley Donen. Els seus companys de repartiment van ser Yul Brynner i Noël Coward. La pel·lícula tenia un tema musical de Jimmy Van Heusen i Sammy Cahn.
Després del seu treball en el cinema, Gaynor seguia sent una favorita el públic. Sovint va interpretar cançons en les cerimònies del premi de l’Acadèmia. En la transmissió per televisió Oscar 1967, va cantar el tema de la pel·lícula Georgy Girl. Gaynor va afegir més tard aquesta cançó al seu repertori de concerts. Al llarg dels anys seixanta i setanta va actuar en nou aclamats programes especials de televisió que van obtenir 16 nominacions l’Emmy.
Com a nota històrica interessant, va aparèixer entre dues sessions d’un recital de The Beatles quan van fer la seva segona aparició en el Xou d’Ed Sullivan el 16 de febrer de de 1964.
Durant diverses dècades, Gaynor va aparèixer regularment a Las Vegas i en clubs nocturns en els Estats Units i Canadà.
Durant els anys noranta, Gaynor també va esdevenir una destacada columnista per a la influent revista The Hollywood Reporter. Ella era molt apreciada tant pels mitjans de comunicació locals com pel públic, moltes vegades fent aparicions a la televisió local per a les entrevistes.
El 4 de desembre de 2006 va morir de pneumònia Jack Bean, de 84 anys , espòs de Gaynor durant 52 anys, a la casa de la parella a Beverly Hills. Hi havia estat el seu productor i mànager personal.
El 30 de juliol de 2008, Gaynor -juntament amb Kenny Ortega, Elizabeth Berkley, Shirley MacLaine i membres de l’elenc de High School Musical, Sota you think you can dance, ballant amb les estrelles i molts més- va participar a TV Moves Live, de l’Academy of television Arts & Sciences, una celebració pels 60 anys de ball a la televisió. Gaynor va aparèixer realitzant els últims compassos de “Pobre papà”, un nombre de cant i dansa de l’Mitzi ‘s 2nd Special, un programa de televisió de 1969. Quatre mesos després, el 18 de novembre de 2008, City Lights Pictures va llançar Mitzi Gaynor Razzle Dazzle: els anys especials, un nou documental celebrant els programes televisius especials anuals de Gaynor dels anys seixanta i setanta. La pel·lícula, que va ser transmesa per la televisió pública i llançada en DVD, inclou entrevistes gravades recentment amb col·legues, amics i admiradors de Gaynor, com Bob Mackie, Carl Reiner, Kristin Chenoweth, Rex Reed, Charmoli Tony, Ruff Alton, Doney Randy i Kelli O’Hara.