Se licenció en el Instituto Nacional de Arte Dramático de Australia (NIDA). Desde entonces ha trabajado mucho en el teatro, sobre todo con Company B, que reúne a un conjunto de actores entre los que están Geoffrey Rush, Gillian Jones y Richard Roxburgh, dirigidos por Neil Armfield. Ha encarnado a Miranda ("La tempestad"), Ofelia ("Hamlet"), papel por el que fue nominada al Premio Green Room, Nina ("La gaviota") y Rose ("The Blind Giant is Dancing").

Para la Sydney Theater Company (STC) trabajó en "Top Girls", de Caryl Churchill; "Oleanna", de David Mamet; "Sweet Phoebe", de Michael Gow (también en el Croydon Warehouse de Londres); "Kafka Dances", de Timothy Daly (también para The Griffin Theatre Company, por la que fue galardonada con el Premio del Círculo de la Crítica a la Mejor Recién Llegada).

En 1999 interpretó a Susan Traheren en "Plenty", de David Hare, en el Almeida Theatre del West End londinense.

Ha protagonizado "Bordertown" y "Heartland" para la televisión australiana.

En la gran pantalla hemos podido verla en el papel de Susan Macarthy en Camino al paraíso, de Bruce Beresford; de Lizzie en La chica de mis sueños/Thank God He Met Lizzie, una comedia nada romántica de Cherie Nowlan, por la que ganó el Premio del Instituto de Cine Australiano (AFI) y de la Crítica de Cine de Sydney a la Mejor Actriz de Reparto; y de Lucinda en Oscar y Lucinda, de Gillian Armstrong, con Ralph Fiennes, por la que fue nominada a Mejor Actriz por el AFI.

En 1998 interpretó el papel estelar en la aclamada Elizabeth, de Shekhar Kapur, por la que ganó un Globo de Oro a la Mejor Actriz Dramática y un BAFTA a la Mejor Actriz Protagonista, además del Premio a la Mejor Actriz de las Asociaciones de Críticos de Chicago, Londres, Toronto, de la Crítica de Cine On-Line, de los Críticos de Variety, y el Premio del Imperio Británico. También fue nominada al Oscar y al Premio del Sindicato de Actores de Cine a la Mejor Actriz.

La vimos en 1999 en Fuera de control/Pushing Tin, una comedia negra de Mike Newell, con John Cusack; Un marido ideal/An Ideal Husband, de Oliver Parker; El talento de Mr. Ripley, de Anthony Minghella, por la que fue nominada a un BAFTA a la Mejor Actriz; Premonición/The Gift, de Sam Raimi, y Vidas furtivas, estrenada en el Festival de Venecia, por la que ganó el Premio del Consejo Nacional de Críticos y del Círculo de Críticos de Florida a la Mejor Actriz de Reparto.

En 2001 trabajó en Bandits/Bandidos, de Barry Levinson, con Bruce Willis y Billy Bob Thornton, que le valió una nominación a un Globo de Oro y del Sindicato de Actores de la Pantalla a la Mejor Actriz de Reparto; Atando cabos/The Shipping News, de Lasse Hallström, con Kevin Spacey, basada en la novela ganadora del Pulitzer 1994 de E. Annie Proulx. Interpretó a Galadriel, la reina de los elfos, en El señor de los anillos: la comunidad del anillo, la primera entrega de la trilogía dirigida por Peter Jackson, basada en la novela de J.R.R. Tolkien. En 2001, el Consejo Nacional de Críticos le otorgó el Premio a la Mejor Actriz de Reparto por su excelente interpretación en Bandits/Bandidos, El señor de los anillos: la comunidad del anillo y Atando cabos/The Shipping News. Volvió a interpretar a Galadriel en 2002 y en 2003 en las dos siguientes entregas de la trilogía, Las dos torres y El retorno del rey.

En 2002 protagonizó la película Charlotte Gray, de Gillian Armstrong, basada en la novela de Sebastian Faulks. También trabajó en Heaven, de Tom Tykwer, con Giovanni Ribisi, estrenada en el Festival de Berlín y ganadora de la Cámara de Oro.

En 2003 pudimos verla en el papel estelar de Veronica Guerin, en busca de la verdad, de Joel Schumacher. Su interpretación le valió una nominación a un Globo de Oro y al Premio de la Asociación de Críticos de la Zona de Washington DC. También protagonizó el thriller Desapariciones, de Ron Howard, con Tommy Lee Jones.

En 2004 trabajó en Coffee & Cigarettes, de Jim Jarmusch, interpretando dos papeles, la protagonista y su prima, por la que fue nominada a Mejor Actriz de Reparto por los Premios Espíritu Independiente.

En julio de 2004 volvió a la Sydney Theater Company para interpretar el papel principal de la producción de Andrew Upton de "Hedda Gabler", por la que ganó el prestigioso Premio Helpmann a la Mejor Actuación Femenina en una Obra de Teatro. Y después de varios años, volvió a protagonizar una película australiana, Little Fish, de Rowan Woods, por la que el AFI le otorgó el Premio a la Mejor Actriz.

Sus trabajos más recientes han sido la película biográfica de Howard Hugues, El aviador, dirigida por Martin Scorsese, por la que ganó un Oscar, un BAFTA y un SAG a la Mejor Actriz de Reparto, además de ser nominada por la Asociación de Prensa Extranjera de Hollywood.

En 2006 la vimos en Babel, de Alejandro González Iñárritu, con Brad Pitt. La película ganó el Globo de Oro y fue nominada a numerosos premios, un Oscar y un Premio SAG al Conjunto del Reparto, entre otros. También trabajó en El buen alemán, dirigida por Steven Soderbergh, con George Clooney. Fue nominada a un Globo de Oro, un SAG y un Oscar por Diario de un escándalo, con Judi Dench. También en 2006, ella y su marido Andrew Upton fueron nombrados codirectores de la Sydney Theatre Company. Debutarán en la temporada 2009.

Acaba de ganar el Premio a la Mejor Actriz del Festival de Venecia 2007 por su encarnación de Bob Dylan en I’m Not There, de Todd Haynes. Actualmente rueda la cuarta entrega de Indiana Jones, de Steven Spielberg, con Harrison Ford, y acaba de terminar la película The Curious Case of Benjamin Button, de David Fincher, con Brad Pitt.