Duse syntyi Vigevanossa Italiassa vuonna 1858. Hänen isänsä oli teatteriohjaaja, ja hän debytoi lavalla neljävuotiaana. Hän nousi nopeasti tunnetuksi italialaisessa teatterissa, ja 1880-luvulla hän oli yksi suosituimmista näyttelijöistä Euroopassa.
Vuonna 1893 Duse teki amerikkalaisen debyyttinsä New Yorkissa. Hän oli valtava menestys, ja hän kiersi Yhdysvalloissa useita kertoja seuraavien vuosien aikana. Hän kiersi myös Etelä-Amerikassa, Euroopassa ja Aasiassa, ja hänestä tuli yksi kuuluisimmista näyttelijöistä maailmassa.
Dusen näyttelemistyyliä leimaa sen naturalismi ja tunnerealismi. Hän vältti perinteisen teatterin liioiteltuja eleitä ja keinotekoisuutta ja keskittyi sen sijaan luomaan uskottavia ja suhteellisia hahmoja. Hänet tunnettiin myös kyvystään välittää monimutkaisia tunteita erittäin hienovaraisesti ja vivahteiksi.
Dusen ura kesti yli neljä vuosikymmentä, ja hän esiintyi yli 300 näytelmässä. Hän näytteli monenlaisia rooleja Shakespearen sankaritarista nykyajan naisiin nykydraamassa. Hän sai erityisen kiitosta esityksistään Ibsenin näytelmissä, kuten "The Lady from the Sea" ja "Hedda Gabler".
Duse jäi eläkkeelle lavalta vuonna 1923, ja hän kuoli Pittsburghissa Pennsylvaniassa seuraavana vuonna. Häntä pidetään yhtenä kaikkien aikojen suurimmista näyttelijöistä, ja hänen vaikutuksensa näkyy edelleen näyttelijöiden ja näyttelijöiden työssä.