Dopo essersi diplomata alla Phillips Academy di Andover si è trasferita a Los Angeles. Qui ha intrapreso la carriera di attrice, recitato in pellicole come La ragazza della porta accanto, Alpha Dog, Quel genio di Bickford e Conversations with Other Women. Ha inoltre rivestito ruoli importanti in serie televisive come Dr. House, Skin e The O.C.

Nel 2006 interpreta, assieme ad Enrique Murciano, il cortometraggio L.A.Suite, scritto e diretto da Marc Webb, e commissionato dalla catena Thompson Hotel Group per la promozione dell'Hollywood Roosevelt Hotel di Jason Pomeranc. È inoltre presente nel video di Stolen, singolo che ha portato al successo i Dashboard Confessional. Lo stesso anno ha recitato in Turistas, mentre l'anno successivo ha preso parte a Bobby Z - Il signore della droga. Il 2007 è anche l'anno in cui è entrata nel cast della famosa serie televisiva Dr. House - Medical Division nel ruolo della dottoressa Remy Beauregard Hadley, soprannominata "Tredici".

Lavora anche alla Los Angeles Filmmaker's Cooperative (fondata dall'ex marito Tao Ruspoli) come editrice delle news e come insegnante nel dipartimento educativo della cooperativa.

Nel 2009 la rivista Maxim l'ha eletta come donna più sexy del mondo, e nello stesso anno è entrata a far parte del cast del film di fantascienza Tron: Legacy (2010) nel ruolo di Quorra. Negli anni successivi partecipa ai film Cowboys & Aliens (2011), Rush (2013), Lei (2013) e La formula della felicità (2014).

Nel 2015 è protagonista della pellicola Meadowland, accanto a Luke Wilson, dove interpretano una coppia che affronta la perdita del loro figlio. Sempre nello stesso anno, è protagonista del film Third Person, al fianco di James Franco, Liam Neeson, Mila Kunis, Adrien Brody e Kim Basinger.