Graduada per l’Institut d’Art Dramàtic d’Austràlia (1992), s’inicià en el teatre i la televisió, i en poc temps esdevingué una de les actrius més reconegudes del seu país. El 1997 debutà en el cinema amb Paradise Road, del director australià Bruce Beresford.
El paper protagonista a la pel·lícula Elizabeth (1998), de Shekhar Kapur (de la qual interpretà una seqüela del mateix director l’any 2006) li valgué un Globus d'Or i un premi BAFTA, i la projectà internacionalment, posició que consolidà amb títols posteriors, entre els quals cal destacar la trilogia de The Lord of the Rings (2001-03), de Peter Jackson; Bandits (2001), de Barry Levinson; The Shipping News (2001), de Lasse Hallström; Charlotte Gray (2001), de Gillian Armstrong; Aviator (2004), de Martin Scorsese, pel qual guanyà l’Oscar a la millor actriu secundària; Notes on a Scandal (2006), de Richard Eyre; The Good German (2006), de Steven Soderbergh; I’m Not There (2007), de Todd Haynes, pel qual guanyà un Globus d’Or i la Copa Volpi del Festival de Venècia; The Curious Case of Benjamin Button (2008), de David Fincher; The Last Time I Saw Michael Gregg (2011), de Steven Soderbergh; Blue Jasmine (2013), de Woody Allen, amb el qual guanyà l’Oscar a la millor actriu protagonista; The Monuments Men (2014), de George Clooney; The Hobbit. The Battle of the Five Armies (2014), de Peter Jackson; Knight of Cups (2015), de Terrence Malik; Cinderella (2015), de Kenneth Branagh; Carol (2015), de Todd Haynes; Truth (2015), de Thomas Vanderbilt; Manifesto (2015), on interpreta monòlegs de diversos personatges; Song to Song (2017), de T. Malick; Thor: Ragnarok (2017), de Taika Waititi; Ocean’s Eight (2018), de Gary Ross, i The House with a Clock in Its Walls (2018), d’Eli Roth.
Els anys 2008-13 fou directora artística del Teatre de Sydney (amb el seu marit Andrew Upton, que deixà el càrrec el 2015). Fou també presidenta del jurat del Festival de Canes en l’edició del 2018.