Sienna Guillory nasce il 16 marzo del 1975 a Kettering, Northamptonshire, Inghilterra. È figlia di Isaac Guillory un famoso musicista di origini cubane che vanta al suo attivo collaborazioni con tutti i più grandi protagonisti della musica inglese da Donovan a Mick Jagger.

Studiò al Gresham's School. Nel 1993, terminati gli studi, la giovane si avvicina al mondo del cinema alternando per diversi anni comparsate in pellicole secondarie e produzioni televisive.

Nel 2001 la Guillory ottiene uno dei primi ruoli rilevanti della propria carriera recitando nella produzione ad alto costo The Time Machine tratta dall'omonimo capolavoro della letteratura fantascientifica di H.G. Wells. L'anno seguente l'attrice è l'interprete principale del colossal televisivo Helen of Troy - Il destino di un amore e della commedia hollywoodiana Love Actually; è però nel 2004 che Sienna Guillory ottiene finalmente una parte che le consente di farsi conoscere ed apprezzare dal grande pubblico: il regista Paul Anderson la sceglie per dare corpo a Jill Valentine, grintosa poliziotta dalla mira infallibile ed esperta di arti marziali nel fortunato Resident Evil: Apocalypse dove divide la scena con Milla Jovovich ed Oded Fehr.

Nel 2005 è scritturata per recitare la parte dell'elfa Arya in Eragon. Ha lavorato in altre due pellicole in uscita nel 2007: il film spagnolo El corazón de la tierra. Nel 2010 riprende il ruolo della poliziotta Jill Valentine nel film horror Resident Evil: Afterlife accanto a Milla Jovovich, Ali Larter e Wentworth Miller.

Ha inoltre preso parte al quinto capitolo della saga Resident Evil, chiamato Resident Evil: Retribution uscito nelle sale cinematografiche italiane il 28 settembre 2012.