Recebeu um Oscar de Melhor Atriz por viver Nina Sayers no drama Cisne Negro, de 2010. Estrelou o filme V de Vingança, de 2006, e interpretou Padmé Amidala em Star Wars. Foi indicada em 2016 ao Oscar de Melhor Atriz por sua atuação como a primeira-dama Jacqueline Kennedy Onassis no filme Jackie.
Sua primeira aparição aconteceu quando ainda era adolescente, vivendo Mathilda no longa O Profissional, de 1994. Formou-se em Psicologia em Harvard em 2003.
Foi nomeada ao Oscar de Melhor Atriz Coadjuvante por sua atuação no drama Closer: Perto Demais, de 2004. Participou da série de filmes Thor, com primeiro lançamento em 2011.
Casou-se com Benjamin Millepied em 2012. O casal havia tido um filho um ano antes. Em 2017, tiveram a filha Amália.
Em 2010, atuou ao lado de Mila Kunis no filme Cisne Negro, de Darren Aronofsky.
