Drea de Matteo est née dans une famille d'origine italienne. Sa famille, catholique, est composée de sa mère, qui est dramaturge, son père, qui fabrique des meubles, et ses deux frères plus âgés, Joe et Darren. Sa famille l'a toujours appelée par le diminutif Drea, prononcé « Dray ». Acceptée à la prestigieuse Tisch School of the Arts de l'université de New York, elle y entre avec l'ambition de devenir réalisatrice. Elle y rencontre Brett Ratner (réalisateur des Rush Hour, de Dragon rouge), et s'inscrit à des cours de comédie, ce qui est recommandé à tout aspirant à la réalisation. Elle y révèle de réelles qualités d'actrice, et décide finalement de poursuivre dans cette voie.

Elle participe à un film indépendant, 'M' Word, en 1996, et à des pièces de théâtre. Finalement, elle se présente en 1999, pour un petit rôle, au casting d'une nouvelle série de la HBO : Les Soprano. Alors qu'elle ne devait, au départ, apparaître que dans un ou deux épisodes, les producteurs de la série sont séduits par son jeu, et la rappellent pour qu'elle ait une plus grande importance dans la série : elle y interprète ainsi Adriana La Cerva. En 2004, sa performance est récompensée par un Emmy award dans la catégorie « meilleur second rôle féminin dans une série dramatique ».

Parallèlement à son travail dans la série, elle joue également dans des films. Elle participe ainsi en 2001 à Christmas d'Abel Ferrara et au thriller blockbuster Opération Espadon. Au printemps 2004, elle tente une nouvelle aventure et accepte de faire partie de la distribution principale d'une nouvelle série télévisée : Joey, le spin-off de Friends. Elle y interprète Gina Tribbiani, sœur de Joey et mère de Michael. En 2008 elle apparait dans le clip vidéo de son fiancé Shooter Jennings pour le single Walk of Life. Le 28 novembre 2007, Drea de Matteo a accouchée d'une petite fille appelée Alabama Gipsy Rose dont le père n'est autre que le chanteur country Shooter Jennings, avec lequel elle est en couple depuis 2001. Début 2009 elle participe à la première saison de la série Sons of Anarchy. En 2009, elle rejoint le casting de la saison 6 de Desperate Housewives, dans le rôle d'Angie Bolen.