Carla Gugino è nata a Sarasota, in Florida, figlia di un ortodontista statunitense di origini italiane e di una madre americana di origini inglesi e irlandesi. I suoi genitori si separarono quando aveva due anni e all’età di cinque anni si trasferisce in California con la madre.
Ancora adolescente, intraprende la carriera di modella, trasferendosi a New York. Sentendosi a disagio, decide di tornare a Los Angeles, dove, spronata dalla zia Carol Merril, anche lei attrice, decide di frequentare un corso di recitazione. Nel 1989 fa la sua prima apparizione nel film In campeggio a Beverly Hills. Nel 1994 appare nel videoclip della famosa canzone Always dei Bon Jovi.
Nel 1998 è diretta da Brian De Palma in Omicidio in diretta. Viene conosciuta dal grande pubblico per il suo ruolo di Ingrid Cortez nel film Spy Kids e come protagonista nella serie TV Karen Sisco. Negli anni successivi partecipa a diverse pellicole di successo, comeSin City, Watchmen e Sucker Punch.
Vita privata