Edward ve Rosemary Anderson'ın kızı olarak 1968'te Chicago'da dünyaya geldi. Aaron adında bir erkek ve Zoe adında bir kız kardeşi vardır. Aaron Anderson, 2011 yılında, henüz 30 yaşındayken beyin tümörü nedeniyle hayatını kaybetmiştir. Çocukluk yıllarında Londra ve Grand Rapids, Michigan'da yaşadı. 1990'da DePaul Üniversitesi Tiyatro Bölümü'nden mezun olan Anderson, New York'a taşındı. Bir süre garsonluk gibi işlerde çalıştı. 1993'te başladığı Gizli Dosyalar dizisiyle şöhrete kavuştu. Rol arkadaşı David Duchovny ile müthiş bir kimya yakalayan Anderson, Dana Scully rolünde tam 9 sezon aralıksız oynadı. Sonrasında The Fall ve Hannibal gibi dizilerde düzenli olarak oynadı. 2016'da 10. sezonuyla geri dönen X-Files'da tekrar kendisiyle özdeşleşen rolü canlandırdı.
Eski eşi Clyde Klotz'dan Piper adında bir kızı ve işadamı Mark Griffiths'ten Oscar ve Felix'ten adlarında iki oğlu vardır. Julian Ozanne ile de bir evlilik yaşamıştır.
1997'de People dergisinin düzenlediği ankette Dünyanın En Güzel 50 İnsanı'ndan biri seçildi.