Linda Cardellini, de descendance italienne et irlandaise, est la plus jeune d'une famille de 4 enfants. Elle débute sa carrière dans un spectacle scolaire à 10 ans. Après cela, elle se produit dans plusieurs productions scolaires et à commence à suivre des cours de comédie, pour être diplômée en 1993 de la St. Francis High School à Mountain View. Dès son arrivée à Los Angeles, elle participe au jeu télévisée The New Price Is Right, sorte de Juste prix américain et gagna une cheminée. Deux ans plus tard, l'actrice apparaît dans des séries en tant que second rôle comme Bone Chillers, 3e planète après le soleil et Notre belle famille et au cinéma dans Good Burger et Un cadavre dans le campus. Mais ce n'est qu'en 1999 qu'elle révélée au grand public en interprétant Lindsay Weir dans la série télévisée Freaks and Geeks, même si elle n'a duré qu'une saison. Depuis elle est apparue dans La Revanche d'une blonde, avec Reese Witherspoon et Sous le silence, avec Andy Garcia. Elle est surtout connue pour avoir incarné Vera dans la comédie à succès Scooby-Doo en 2002 et sa suite, deux ans plus tard, adaptation du dessin éponyme et également, celui qui la consacre définitivement, dans le rôle de l'infirmière Samantha Taggart dans la série télévisée Urgences, qu'elle tient depuis 2003.

En 2005, elle fait partie du casting prestigieux du Secret de Brokeback Mountain, film où elle joue avec Jake Gyllenhaal et le regretté Heath Ledger. Mis à part la télévision où récemment elle a tourné Comanche Moon, de Simon Wincer , elle joue aussi pour le cinéma (Le Garçon à mamie, American Gun). Elle a vecu en couple avec l'acteur Jason Segel qu'elle a rencontré sur le tournage de Freaks and Greeks, où ils étaient les acteurs principaux, mais se sont séparés. Ce dernier a écrit le scénario du film Sans Sarah rien ne va, dans lequel il joue, qui est inspiré de cette rupture. À noter qu'elle apprécie l'art, particulièrement celui de Margaret Keane et pratique les arts martiaux.