Elle a commencé dans l'industrie avec le rôle de Laurie dans The Loretta Young Show et en faisant une petite apparition dans la série des années 1960 Dennis the Menace avant d'obtenir le rôle déterminant de sa carrière.
Dans celui-ci, elle interprétait le rôle d'une jeune fille dont tombait éperdument amoureux un homme d'âge mûr.
"En raison de toutes les pressions exercées sur le Code de production et la Légion catholique de décence à l'époque, je pense que je n'ai pas suffisamment dramatisé l'aspect érotique de la relation d'Humbert avec Lolita" , expliquait le réalisateur.
Après Lolita, Sue Lyon a de nouveau joué une adolescente dans La nuit de l'iguane de John Huston et est apparue dans 7 femmes de John Ford et Tony Rome de Gordon Douglas avec Frank Sinatra .