Romola Garai aún iba al instituto cuando fue escogida para trabajar en la serie de HBO "Las últimas rubias explosivas", de Gillies Mackinnon.

Obtuvo su primer papel protagonista en la adaptación de la popular novela de Dodie Smith, El castillo soñado, por la que fue nominada a Mejor Actriz Revelación por los Premios del Cine Independiente Británico. A continuación trabajó en Dirty Dancing 2: Havana Nights, Vanity Fair/La feria de las vanidades, con Reese Witherspoon, Bailo por dentro, con James McAvoy, por la que ganó el Premio del Círculo de la Crítica Londinense a la Mejor Actriz Secundaria y fue nominada a Mejor Actriz Secundaria por los Premios del Cine Independiente Británico, y La leyenda de Nicholas Nickleby.

Para televisión ha trabajado en la miniserie "Daniel Deronda", de Tom Hooper, para BBC.

Sus películas más recientes son Amazing Grace, de Michael Apted; As You Like It,de Kenneth Branagh; Scoop, de Woody Allen, y Angel, de François Ozon, en la que interpreta el papel principal.

En los escenarios ha interpretado a Lucia, la hija de James Joyce, en "Calico", escrita por Michael Hasting y dirigida por Edward Hall. Actualmente interpreta a Cordelia en "El rey Lear", con la Royal Shakespeare Company, y a Nina en "La gaviota", dirigida por Trevor Nunn.