В 1959 году, благодаря своему красивому голосу сопрано, она получила небольшую роль в мюзикле «Маленькая Мэри Саншайн», а позже роль Айрин Мэллоу в бродвейском мюзикле «Хэлло, Долли!» (1964). В кино она дебютировала в 1967 году в фильме «Развод по-американски».
Вскоре она стала одной из самых востребованных актрис второго плана. Спустя год после её дебюта в кино, она стала гостем в комедийном шоу «Смех Роуэна и Мартина», в котором она появлялась в течение двух месяцев. В 1973 году она превосходно себя показала в фильме «Афера».
Хотя её имя было почти не известно широкой публике, Айлин стала фаворитом многих режиссёров, включая Питера Богдановича. В 1971 году она появилась в его фильме «Последний киносеанс», а в 1975 году в его провальном мюзикле «В долгой провальной любви».
В 1980 она была номинирована на «Оскар» за лучшую роль второго плана в фильме «Рядовой Бенджамин», а в 1981 году получила статуэтку «Эмми», за телевизионную версию этого фильма.
В 1984 году её сбила машина. Получив серьёзное ранение, Бреннан на три года оставила работу. В 1990г. она перенесла операцию на груди из-за рака молочной железы.
С 1968 по 1974 годы она была замужем за Дэвидом Джоном Лампсоном, от которого у неё двое сыновей — Патрик Оливер (актёр) и Сэмюэль Джон (певец).
Айлин Бреннан скончалась в своем доме в пригороде Лос-Анджелеса 28 июля 2013 года. Она ушла из жизни в возрасте 80 лет в окружении своей семьи. Причиной смерти артистки стал рак мочевого пузыря.