Figlia di Walter Roberts, morto di cancro alla gola quando lei aveva dieci anni, fu cresciuta dalla madre Betty Lou Bredemus, ha tre fratelli: Eric, Anthony e Lelisa (Lisa Roberts Gillan ), entrambi attori, e la sorellastra Nancy, nata dal primo matrimonio del padre. Dopo il divorzio dei genitori nel 1971, si trasferisce con la madre la sorella Lisa e il fratello a Smyrna. Il padre rimase ad Atlanta. Inizia gli studi di giornalismo, ma in seguito all'esordio del fratello Eric come attore a Hollywood , decide di seguirlo nella carriera cinematografica e si trasferisce a New York.Appare per la prima volta in televisione, nel 1986, nel film Vite sbagliate. Del 1988 il debutto cinematografico, inizialmente con una piccola parte in Legami di sangue, nel quale recita con il fratello Eric, e poi come attrice protagonista nel film Mystic Pizza dove interpreta Daisy Arujo, una cameriera di una pizzeria. Nel 1989 recita nel film drammatico Fiori d'acciaio che le procura il primo Golden Globe e la nomination all'Oscar come migliore attrice non protagonista.
Dal 1991 al 1997 recita in A letto con il nemico, Hook- Capitan Uncino con Robin Willams e Dustin Hoffman,Qualcosa di cui sparlare,Scelta D'amore, Il rapporto Pellican con Denzel Washington, Mary Reilly con Jon Malkovich ,Tutti diccono I love you di Woody Allen e Ipotesi di complotto con Mel Gibson . Nel 1997, decide di tornare alla commedia, è protagonista ne Il matrimonio del mio migliore amico, in Notting Hill con Hugh Grant e Se scappi ti sposo (nel quale si riunisce la triade Roberts-Gere-Marshall) entrambi del 1999.Nel 1998 esordisce come producer per la sua casa di produzione, Shoelace Productions, insieme all'amica Susan Saradon , per il film melo-drammatico Nemiche amiche . La Shoelace Productions dopo il matrimonio con Dan Moder diventa Red Om. Nel 1999, accetta la parte della protagonista nel film Erin Brockovich -Forte come la verità di Steven Soderbergh con cui vince il SAG Award , il BAFTA, il Golden Globe (per un film drammatico) e l' Oscar alla migliore attrice nel 2001, diventando automaticamente la prima donna in assoluto a vincere contemporaneamente tutti e quattro i più prestigiosi premi che un attore può ricevere con un solo film. Nello stesso anno dell'Oscar, gira in co-starring con Brad Pitt The Mexican, durante le cui riprese conosce il futuro marito Dan Moder.Gli anni seguenti, dopo piccoli ruoli di contorno, accettati per sola amicizia, quali Ocean's Eleven,Full Frontal e Confessioni di una mente pericolosa , ritorna nel 2003 in un ruolo da protagonista in Mona Lisa Smile, un "attimo fuggente" al femminile dove interpreta una rampante professoressa di storia dell'arte. Nel 2004 gira Closer , storia di amori e tradimenti diretta da Mike Nicholas, e Ocean's Twelwe. Dopo tre anni di pausa, in cui, oltre a doppiare film d'animazione ed essere stata protagonista del video della canzone Dreamgirl della Dave Mattehews Banddi cui era da tempo fan, ha esordito a teatro con la piece Three days of rain, torna al cinema nel 2007 con La guerra di Charlie Wilson, insieme a Tom Hanks.Nel 2009 recita al fianco di Clive Owen in Duplicity di Tony GILROY , in cui entrambi interpretano ex agenti segreti che si prestano allo spionaggio industriale.