Jennifer Leann Carpenter nasceu em 7 de Dezembro de 1979 em Louisville, EUA, onde passou sua infância. Jennifer passou pela academia Sacred Hearth antes de ingressar em Juilliard em Nova Yorque. Concluídos os estudos, formou-se no mundo da atuação através da grandiosa Companhia de Teatro Walden, surgiu na Broadway em The Crucible, dirigido por Richard Eyre, montagem co-estrelada por Laura Linney e Liam Neeson. Jennifer casou-se com Alex Nevolanick em 4 de dezembro de 2001. Eles tiveram um filho. Foi em 2005 que a atriz chamou a atenção da crítica e do público com a arrepiante personagem em O Exorcismo de Emily Rose (The Exorcism of Emily Rose, em inglês), filme que lhe rendeu o MTV Movie Awards 2006 (de melhor performance) e o Hollywood Life Breakthrough Award. Trabalhou também como Debra Morgan na série de televisão Dexter que estreou 1 de Outubro de 2006 nos EUA. Seu trabalho mais recente é como Angela Vidal em Quarentine ou Quarentena (nome do filme no Brasil).

Foi casada com o ator Michael C. Hall, que interpreta seu irmão na série Dexter desde 2008. Divorciaram-se em 2011.