Attrice. Cresciuta a Brookliyn, ha frequentato la Saint Ann School. Dietro consiglio di un produttore pubblicitario amico dei genitori, a dieci anni inizia a lavorare come modella per la pubblicità su giornali e riviste per poi passare agli spot televisivi. Notata da un direttore di casting, questi la propone al regista Sergio Leone che sta cercando una ragazzina che possa impersonare la giovane Debora in "C'era una volta in America" (1984), film che a tutt'oggi è uno dei preferiti dell'attrice tra quelli da lei interpretati, anche se in un ruolo minore. L'anno seguente è la protagonista di "Phenomena" di Dario Argento. Seguono una serie di film minori tra cui "Labirynth" (1986) di Jim Henson, "The hot spot" (1990) di Dennis Hopper, "Rocketeer" (1991) di Joe Johnston, "Tutto può accadere" di Bryan Gordon, "Scomodi omicidi" (1996) di Lee Tamahori, "Innocenza infranta" (1997) di Pat O'Connor. Nel 2000 è presente al festival di Cannes con il film "Requiem for a dream" di Darren Aronofsky, molto apprezzato dalla cririca, e alla Mostra del Cinema di Venerzia con "Pollock" di Ed Harris, in cui interpreta una delle amanti del famoso pittore americano. Nel 2002 vince il Golden Globe e l'Oscar come miglior attrice non protagonista per il ruolo interpretato in "A beautiful mind" (2001) diretto da Ron Howard. Laureata a Yale, ha studiato recitazione con Roy London, Howard Fine e Harold Guskin. Parla bene il francese e il giapponese (ha inciso anche un singolo in Giappone). Ha un figlio, Kai, nato nel 1997, avuto dal fotografo David Dugan, con il quale non ha mai vissuto insieme e di cui preferisce non parlare. Nel gennaio 2003 ha sposato l'attore Paul Bettany, da cui ha avuto il figlio Stellan, nato il 5 agosto dello stesso anno.