Nata a Hammersmith (Londra) da sir John Mortimer e Penelope Gallop, ha una sorella minore, Rosie, due fratellastri, Sally Silverman e Jeremy, nati dal precedente matrimonio del padre con un’altra donna ed una sorella, Penelope Fletcher, nata da una relazione del padre con l’attrice Wendy Craig. Ha studiato alla Saint Paul Girls’ School di Londra e poi ad Oxford, ed al Lincoln College, specializzandosi in letteratura russa e trascorrendo un intero anno di studi in Russia.
Dopo essere apparsa in diverse produzioni televisive, teatrali e cinematografiche alla fine degli anni novanta come Notting Hill, nel 2000 entra a far parte del cast del musical shakespereano Pene d’amor perdute, diretto da Kenneth Branagh. Proprio sul set di questo film incontra l’attore italo-americano Alessandro Nivola, il suo attuale marito, con il quale inizierà una relazione nello stesso anno e che sposerà nel 2003.
Lavora accanto a Ewan McGregor in Young Adam, di David McKenzie, nel ruolo della fidanzata del protagonista, Cathie, interpretazione che le varrà fama e nomination agli Empire Awards come miglior attrice protagonista. Nel 2004 è invece tra i protagonisti del noir Match Point, diretto da Woody Allen, accanto a Jonathan Rhys-Meyers e Scarlett Johansson, mentre nel 2006 recita accanto a Ryan Gosling in Lars e una ragazza tutta sua ed è protagonista de La Pantera Rosa, film che avrà anche un seguito nel 2009 con La Pantera Rosa 2, film al quale la Mortimer prenderà ancora parte. Inizia nel 2010 un sodalizio con il regista Martin Scorsese, che la vorrà tra i personaggi principali di Shutter Island e Hugo Cabret.
Grazie al carattere auto-ironico, semplice ed espansivo ed alla voce brillante, l’attrice lavora come doppiatrice in film d’animazione come Cars 2 e compare in serie TV famose quali 30 Rock e The Newsroom.
Nel 2014 produce e recita insieme all’attrice e migliore amica di sempre Dolly Wells ed al marito Alessandro Nivola, la serie TV Doll & Em, che viene mandata in onda nello stesso anno e nell’anno successivo con una seconda serie, grazie al grande successo della prima.