Filla de lnactor Jon Voight i de l’actriu Marcheline Bertrand, en el decurs dels seus anys d'adolescència i joventut compaginà l’assistència a classes d’interpretació al Lee Strasberg Theatre and Film Institute amb l’ofici de model. De la mà del seu germà James Haven participà en diversos films semiamateurs destinats a ésser exercicis universitaris de fi de carrera. Debutà com a actriu professional amb Cyborg 2 (1993, Michel Schroeder). Entre els seus crèdits cinematogràfics més destacats figuren The Bone Collector (1999, Phillip Noyce), Lara Croft Tomb Raider: The Cradle of Life (2003, Simon West), Beyond Borders (2003, Martin Campbell), Alexander (2004, Oliver Stone), A Mighty Heart (2007, Michel Winterbottom), Beowulf (2007, Robert Zemeckis), Changeling (2008, Clint Eastwood), Salt (2010, Phillip Noyce), The Tourist (2010, Florian Henckel von Donnersmarck) i Maleficient (2014, Robert Stromberg), remake en versió real de la pel·lícula d'animació La Bella Dorment de Walt Disney. És guanyadora de l’Oscar i el Globus d’Or a la millor actriu secundària per Girl Interrupted (1999, James Mangold), el Globus d’Or a la millor actriu de minisèrie dramàtica o pel·lícula per a televisió per Gia (1998), i Globus d’Or a la millor actriu secundària de minisèrie dramàtica o pel·lícula per a televisió per George Wallace (1997). Inicià la trajectòria com a directora amb el documental A Place in Time (2007), al qual seguiren In the Land of Blood and Honey (2011), Unbroken (2014) i By the Sea (2015), que també coprotagonitzà amb Brad Pitt, que fou la seva parella des del 2005 i marit entre 2014 i 2016.