Actriz ganadora de reconocimientos conocida por su papel en la película A Beautiful Mind del 2001, por la cual ganó un Premio de la Academia como Mejor Actriz de Reparto. Sus actuaciones en Blood Diamond, Requiem for a Dream y House of Sand and Fog también le ayudaron a recibir reconocimiento. En el 2019 fue seleccionada para la película Top Gun: Maverick.
Comenzó su carrera como modelo infantil con Ford Modeling Agency. Debutó en la actuación en la película Once Upon a Time in America de 1984.
Apareció en la película He's Just Not That Into You junto a Scarlett Johansson y Jennifer Aniston.
Se casó con Paul Bettany en enero del 2003 y tienen dos hijos llamados Stellan y Agnes. También tiene un hijo llamado Kai de una relación previa con el fotógrafo David Dugan.
Apareció en Requiem For a Dream junto a Jared Leto.