Virginia Mayo nació en Saint Louis (Missouri) el 30 de noviembre de 1920 como Virginia Clara Jones. Su padre era un periodista y procedía de una familia que había sido muy influyente en la ciudad de St. Louis. De pequeña, Mayo ya demostró interés por el mundo del espectáculo. Su tía regentaba una escuela de baile y Mayo comenzó a tomar clases a los seis años. Una vez que terminó la escuela en 1937 se convirtió en intérprete de la Ópera de St. Louis.
Su nombre artístico, Virginia Mayo, nació de una de sus primeras giras por Estados Unidos con un espectáculo de variedades. Allí adoptó el nombre de uno de los dos humoristas que trabajaban con ella disfrazados de caballo.
En una actuación que realizó en Broadway.Mayo fue vista por un agente de la Metro Goldwyn Mayer y Samuel Goldwyn firmó un contrato con ella. No obstante, cuando uno de los directores del estudio realizó pruebas de filmación, manifestó que Mayo no era una actriz adecuada para el cine. Goldwyn sí creyó en ella, sobre todo en sus dotes de interpretación, y le dio un pequeño papel en «Jack London» (1943, Alfred Santell), un título protagonizado por Susan Hayward y un título protagonizado por Susan Hayward y Michael O’Sea. Con este último actor se casó en 1947. Con este último actor se casó en 1947. El mismo año participó en otra película, y los productores se dieron cuenta de su atractivo físico, que justificaba papeles más importantes. Así, en 1944 ya tuvo un papel protagonista, en «The Princess and the Pirate» («La princesa y el pirata», David Butler), comedia musical en la que compartía cartel con Bob Hope. Su belleza y su sentido del humor le granjean una carrera rápida en los campos, primero de la comedia y después del melodrama,
En los años siguientes Mayo intervino en películas con compañeros de reparto famosos, como Danny Kaye con quien colaboró en «Un hombre fenómeno» (1945), «El asombro de Brooklyn» (1946) -que era un remake de una película de Harold Lloyd-, «La vida secreta de Walter Mitty» (1947) y «Nace una canción» (1948), remake en clave musical que Howard Hawks, director de la película, había realizado de su comedia «Bola De Fuego»,También tuvo como compañeros a Dana Andrews en «Los mejores años de nuestra vida», donde interpretaba a la novia de un veterano de la Segunda Guerra Mundial a, James Cagney («Al rojo vivo», donde era la descuidada esposa de un gángsater con rasgos psicópatas), Burt Lancaster («El halcón y la flecha») o Gregory Peck, y su popularidad fue creciendo con cada film en el que intervino. Dentro de toda esta carrera, el rubio ceniza de su cabello, sus ojos verdes y su figura sensual siempre se impusieron sobre su labor profesional. Una belleza que cautivó a un sultán de Marruecos, quien le escribió una popular carta en la que subrayaba que Mayo era «la prueba de la existencia de Dios».
En la década de los 50, Virginia Mayo protagoniza títulos como «Camino de la horca» (1951) con Kirk Douglas, «El hidalgo De los mares» (1951) con Gregory Peck, «La novia De acero» (1952) con Alan Ladd, «El talismán» (1954) con Rex Harrison, «Una pistola al amanecer» (1956) con Robert Stack y «Westbound» (1959) con Randolph Scott, trabajando con directores de prestigio como Raoul Walsh, Jacques Tourneur o Budd Boetticher. Además, en 1953 filmó junto a Dale Robertson un western en 3D titulado «Noche Salvaje».La actriz trabajó intensamente hasta finales de los años 50, época a partir de la cual hizo menos películas, apareciendo en pocos papeles y en películas menores de serie B, un total de ocho en veinte años. Acostumbrada a aparecer atractiva en la pantalla, Mayo quiso seleccionar bien los papeles en los que intervenía cuando había alcanzado una determinada edad.
La actriz se retiró del cine en 1978 con «French Quarter», aunque aun intervendría en una última película en 1991: «Evil Spirits». Mayo siempre repudió la televisión aunque en los años 90 hizo algunas colaboraciones en series como «Se ha escrito un crimen» o «Santa Bárbara».
Virginia Mayo permaneció casada con Michael O’Sea entre 1947 y 1973, año en que su marido falleció. Tuvieron una hija de este matrimonio. La actriz falleció a los 84 años de edad, tras una larga neumonía que acabó en un paro cardiaco, en una residencia de Los Ángeles, el 17 de enero de 2005.
