Es graduà en literatura a la Universitat de Stanford (1971) i en art dramàtic a la Yale School of Drama de Nova York (1974), i en els inicis actuà en obres teatrals. Obtingué un èxit notable com a protagonista del musical Das Lusitania Songspiel (1979-81), coescrita per ella. Amb el primer film que protagonitzà, Alien, de Ridley Scott (1979), del qual es feren dues seqüeles dirigides per James Cameron (1986) i David Fincher (1992), obtingué un gran èxit, així com amb The Year of Living Dangerously, de Peter Weir (1982), Ghostbusters, d’Ivan Reitman (1984), que també tingué una continuació, Une femme ou deux, de Daniel Vigne (1985), Half Moon Street, de Bob Swain (1985) i Gorillas in the Mist, de Michael Apted (1987), pel qual guanyà un Globus d’Or, guardó que tornà a obtenir com a actriu secundària a Working Girl, de Mike Nichols (1988). També cal destacar els films 1492: Conquest of Paradise, de Ridley Scott (1992); Dave, d’Ivan Reitman (1993); Death and the Maiden, de Roman Polanski (1994); Copycat, de Jona Amiel (1995); The Ice Storm (1997), de Janey Carvey; Snow White, de Claudia Hoffman (1997); A Map of the World, de Scott Elliott (1999); Galaxy Quest, de Dean Parisot (1999); Company Man, de Peter Askin i Colin McGrath (2000); Tadpole, de Gary Winick (2000); Heart Breakers, de David Mirkin (2001); The Girl in the Park, de David Auburn (2007); Baby Mama, de Michel McCullers (2008); Avatar, de James Cameron (2009); Crazy on the Outside, de Tim Allen (2010); Rampart, d’Oren Moverman (2011); Red Lights, de Rodrigo Cortés (2012); Chappie, de Neill Blomkamp (2015), i A Monster Calls (2016). Ha actuat en sèries de televisió, d’entre les quals destaca la seva actuació a Political animals (2012). L’any 2016 rebé el premi Donostia del Festival de Sant Sebastià.