Laura é filha dos atores Bruce Dern e Diane Ladd, e bisneta do ex-governador de Utah George Dern. O escritor Archibald MacLeish foi seu tio-avô. O primeiro trabalho de Laura foi uma breve aparição em White Lightning, e depois, também com sua mãe, em Alice Doesn't Live Here Anymore, um dos mais importantes trabalhos dela. Diane Ladd se opôs à presença da filha (então com 13 anos) nos sets de Ladies e Gentlemen, The Fabulous Stains, e Laura requereu sua emancipação.

Em meados da década de 1980, Laura obteve aplausos da crítica por seus papéis em Mask, Veludo Azul e Wild at Heart. Sua interpretação em Veludo Azul foi um avanço em sua carreira, mas seu filme seguinte, Wild at Heart, levou quatro anos para ficar pronto. A parceria com David Lynch continuou com Inland Empire. Em 1992, Laura e sua mãe se tornaram o primeiro caso de mãe e filha concorrendo ao Oscar pelo mesmo filme — Rambling Rose. Em 1993, Laura interpretou a dra. Ellie Sattler no megassucesso de Steven Spielberg Jurassic Park. No mesmo ano, Clint Eastwood a convocou para trabalhar em A Perfect World. Depois, interpretou o papel-título em Citizen Ruth (estreia de Alexander Payne na direção), no qual Diane Ladd fez uma breve aparição, ouvindo uma série de insultos da personagem de Laura.

Em 1997, Laura estrelou o videoclipe de Widespread Panic "Aunt Avis", dirigido por seu namorado e futuro marido Billy Bob Thornton. Em 1998, Laura atuou em The Baby Dance, contracenando com Jodie Foster, que a dirigiu. Enquanto namorou Thornton em 1999, interessou-se pelo filme dele Daddy e Them, no qual também trabalhou Diane Ladd. Laura também foi dirigida por Joe Johnston em October Sky.

Robert Altman requereu o talento de Laura para a comédia Dr. T & the Women, em 2000. Depois, ela coestrelou Within These Walls e ainda Focus e Novocaine, de Arthur Miller. Em Jurassic Park III seu papel diminuiu de importância, e ela coadjuvou I Am Sam. Em 2002, estrelou Damaged Care, e em 2004, We Don't Live Here Anymore. Atuou na comédia dramática Happy Endings em 2005, e trabalhou em The Prize Winner of Defiance, Ohio em 2006, ano em que ela e Lynch se juntaram para filmar Inland Empire e em que ela atuou em Lonely Hearts. O roteirista Mike White, conhecido por School of Rock e The Good Girl, escolheu-a para estrear na direção, na comédia Year of the Dog, com Molly Shannon, John C. Reilly e Peter Sarsgaard; em 2008, Laura estrelou Recount, pelo qual recebeu o Globo de Ouro de melhor atriz em série ou telefilme. Depois disso, Laura Dern pôde ser vista na produção independente de 2009 Tenderness e, em 2010, em Little Fockers, no papel de uma diretora de escola que tem um caso com Owen Wilson.

Laura tem feito vários trabalhos para a TV. Por Afterburn, ela recebeu o Globo de Ouro de melhor atriz em seriado ou telefilme. Também coestrelou The West Wing, dublou King of the Hill e interpretou uma lésbica que influencia Ellen DeGeneres a sair do armário na telessérie Ellen. Em 24 de abril de 2007, no talk show de DeGeneres, Laura revelou que ficou mais de um ano sem atuar por causa da repercussão negativa daquele episódio, o qual, mesmo assim, classificou como uma "experiência extraordinária"

Laura tem sido premiada pela indústria independente, como o Sundance Institute, e David Lynch moveu uma agressiva campanha para que ela fosse indicada ao Oscar por Inland Empire. Em 1 de novembro de 2010, ela inaugurou a 2.420ª estrela na Calçada da Fama de Hollywood. Seus pais, Diane Ladd e Bruce Dern, também foram presenteados com suas estrelas.

Desde outubro de 2011, Laura vem trabalhando com sua mãe na série da HBO Enlightened, na qual interpreta Amy Jellicoe. Para a série, Laura trouxe o roteirista Mike Whited de volta à TV, vindo de um colapso em sua carreira. A personagem pratica meditação e a aplica em seu trabalho de médica.

Laura foi também escalada para o filme de Paul Thomas Anderson The Master, com Amy Adams e Philip Seymour Hoffman, estreado em 2012. Em 2014, é lançado o filme Wild, no qual ela interpreta a mãe de Reese Witherspoon. Por esse filme, foi indicada mais uma vez ao Oscar, dessa vez na categoria de melhor atriz coadjuvante. Em 2017, entra para o elenco da série Big Little Lies, no qual venceu seu primeiro Emmy, na categoria de Melhor Atriz Coadjuvante em Minissérie ou Telefilme. A segunda temporada está prevista para 2019.