La 2ème enfant d'une famille de trois filles, elle a grandit à Charleston en Virginie Occidentale. Sa mère était professeur d'anglais et son père ingénieur. Sa première passion était la danse classique qu'elle étudiera pendant 9 ans. Elle a ensuite étudiée la chimie à l'université avant d'abandonner cette matière pour étudier le théâtre. Après avoir eu son diplôme elle s'installe à New York où elle sera hôtesse dans un restaurant tout en cherchant des rôles. En 1998 elle déménage à Los Angeles. C'est là qu'elle est repérée par le réalisateur J.J. Abrams qui lui offre un rôle dans sa série Felicity où elle rencontre Scott Foley qu'elle épousera le 19 octobre 2000. Ils se sépareront au bout de 3 ans, le divorce sera finalement prononcé le 30 mars 2004.

Après l'arrêt de la série, J.J. Abrams lui offre le rôle principal de sa nouvelle série, Alias, en 2001. Elle incarne depuis le rôle de l'agent Sydney Bristow. C'est cette série qui la révélera mondialement et qui lui permet de décrocher des rôles au cinéma, notamment dans Daredevil au côté de Ben Affleck en 2003. Côté vie sentimentale, après sa séparation elle est sortie avec son partenaire de la série Alias, Michael Vartan. Depuis leur séparation en 2004, elle est avec l'acteur Ben Affleck. Ils se sont fiancés au bout de quelques mois et ont fini par se marier le 29 juin 2005.

Le 1er décembre 2005 à 18h26 (heure locale) à Los Angeles, elle a donné naissance à une petite fille prénomée Violet Anne Affleck.