Après des cours de ballet dans sa jeune enfance, elle intègre la formation des Ballets russes de Monte-Carlo en 1934 avec lesquels elle se produit sous les pseudonymes de Celia Siderova et Maria Istromena. Elle épouse en 1939 à Paris le danseur Nico Charisse. Le prénom de Cyd qu'elle adoptera plus tard est inspiré du surnom que lui donnait son jeune frère quand il était petit, « sid » (dérivé de « sis »)<ref>Contraction de l'anglais sister : « sœur ».</ref>.
Après la dissolution de la troupe au début de la Seconde Guerre mondiale, elle regagne Hollywood où elle décroche quelques petits rôles dansés non crédités avant d'être remarquée pour son pas de deux avec Fred Astaire dans Ziegfeld Follies en 1946. Cette prestation lui procure un contrat de sept ans avec la MGM.
En 1942, elle a un fils nommé Nico, dit « Nicky », Charisse. Elle divorce de Nico Charisse Sr en 1947. Elle se remarie en 1948 avec le chanteur et acteur Tony Martin avec qui elle a un fils en 1950 nommé Tony Martin Jr. En 1952, Gene Kelly la choisit comme partenaire pour le numéro - sans paroles - de Chantons sous la pluie, Broadway Melody. Surnommée « The Legs » (« les jambes ») tout comme Lauren Bacall était surnommée « The Look » (« le regard »), elle fait assurer ses jambes pour 5 millions US$ cette même année.
Le déclin du genre dans les années 1960 est aussi le sien, mais elle aura attaché son nom aux grandes heures de la comédie musicale. Elle continue cependant de jouer dans quelques films comme Something's Got to Give, film inachevé de George Cukor de 1962 dans lequel Marilyn Monroe joua quelques scènes avant de mourir.
En 1990, elle apparaît dans le clip de la chanson Alright, interprétée par Janet Jackson.
