Bellisario fez sua estréia em 1988 no filme Last Rites. De 1990 a 2007, estrelou em Quantum Leap, Tequila e Bonetti, JAG, First Monday e NCIS, séries de televisão que foram produzidas por seu pai Donald Bellisario. Em 1998, ela co-estrelou ao lado de Mary-Kate e Ashley Olsen no filme Billboard Dad. A partir de 2006, Bellisario começou a aparecer em uma série de curtas-metragens independentes, intitulados Unspoken, Archer House e Intersect.

Em novembro de 2009, Bellisario foi escalada como Spencer Hastings na série de televisão Pretty Little Liars, que é baseada na série de livros de Sara Shepard.

Bellisario é filha do produtor de televisão Donald Bellisario e da atriz Deborah Pratt. Ela é a meia-irmã de Michael Bellisario. O ator Sean Murray e produtor Chad W. Murray são seus irmãos adotivos.