Virginia Mayo machte eine Ausbildung zur Tänzerin und arbeitete einige Zeit als Revuegirl in New York, ehe sie zu Beginn der 1940er Jahre nach einem Auftritt neben Eddie Cantor einen Vertrag mit Samuel Goldwyn unterzeichnete. Sie trat in der Folgezeit neben Komödianten wie Bob Hope und Danny Kaye auf. Mayo war bekannt für ihre Schönheit und der Sultan von Marokko soll sie deshalb auch als „greifbaren Beweis für die kreative Kraft eines allmächtigen Schöpfers“ bezeichnet haben.
Ihre Karriere verebbte ab Mitte der 1950er Jahre in B-Filmen, und sie trat in der Folgezeit vermehrt im Fernsehen auf. Noch in den 1980ern hatte sie Gastauftritte in Serien wie Love Boat und Remington Steele. Ihre letzte Filmrolle hatte sie im Jahr 1997 in dem weniger beachteten Kinofilm The Man Next Door. Neben der Schauspielerei beschäftigte sie sich Zeit ihres Lebens mit der Malerei. Ihr zu Ehren gibt es einen Stern auf dem Hollywood Walk of Fame.
Mayo starb am 17. Januar 2005 im Alter von 84 Jahren an Lungenentzündung und Komplikationen der kongestivenHerzinsuffizienz in einem Pflegeheim in Los Angeles. Sie war von 1947 bis zu dessen Tod mit dem US-amerikanischen Schauspieler Michael O’Shea (1906–1973) verheiratet. Aus dieser Ehe entstammt eine Tochter (* 1953). Mayo wurde neben ihrem Ehemann im Pierce Brothers Valley Oaks Memorial Park im Los Angeles County beigesetzt.[2]