McCullough nació en el interior de Australia. Su familia se mudaba con frecuencia y finalmente se instaló en Sydney. Después de un período de trabajo esporádico, regresó a la Universidad de Sydney (donde había estudiado brevemente antes) y obtuvo una licenciatura en neurofisiología. En 1958 fundó la unidad de neurofisiología en el Royal North Shore Hospital en Sydney. Tras mudarse a Inglaterra en 1963, McCullough trabajó en hospitales de Londres y Birmingham y obtuvo una maestría en neurofisiología de la Universidad de Londres. Luego aceptó un puesto en Estados Unidos en el departamento de neurología de la Facultad de Medicina de Yale, donde enseñó y dirigió el laboratorio desde 1967 hasta 1976.
McCullough, que había escrito anteriormente para divertirse, comenzó a escribir durante este período con el fin de complementar sus ingresos. Su primera novela, Tim (1974; película de 1979), sobre una historia de amor entre un hombre con discapacidad intelectual y una mujer mayor, fue bien recibida. Sin embargo, fue su segundo trabajo, The Thorn Birds, lo que le valió un público devoto. La novela, que se centra en una historia de amor frustrada entre un sacerdote católico y una joven en el Outback, le valió a McCullough un anticipo récord de casi 2 millones de dólares. En 1980 se mudó a la aislada isla de Norfolk, un territorio australiano.
Continuó publicando, lanzando An Indecent Obsession (Una obsesión indecente, 1981; película 1985), sobre un pabellón para soldados con neurosis de guerra en la Segunda Guerra Mundial, y The Ladies of Missalonghi (Las señoritas de Missalonghi, 1987), un romance ambientado en Australia. En 1990 publicó el primero de sus siete libros Masters of Rome, The First Man in Rome. Las obras, que se centran en personajes históricos durante el ocaso de la República romana, fueron ampliamente elogiadas por su meticulosa adhesión al registro histórico. La última novela, Antonio y Cleopatra, se publicó en 2007.
Las otras novelas de
McCullough incluyen
Morgan's Run (La huida de Morgan, 2000), sobre un convicto del siglo XVIII enviado a Australia;
La independencia de la señorita Mary Bennet (2008), que imagina la vida posterior de un personaje de Orgullo y prejuicio de
Jane Austen (1813); y la romántica
Bittersweet (Agridulce, 2013).
On, Off (2006),
Too Many Murders (2009) y
Sins of the Flesh (2013) fueron entradas en su serie de asesinatos y misterios con la capitana de policía
Carmine Delmonico. También escribió la biografía
The Courage and the Will: The Life of Roden Cutler, V.C. (1999).
McCullough fue nombrada "tesoro viviente" por el National Trust of Australia en 1997 y nombrada Oficial de la Orden de Australia en 2006.