Diplômée d'art et de sciences, Kim Dickens suit des cours de théâtre et d'art dramatique à New York. Après quelques prestations sur scène, elle débute au cinéma en 1995 dans Les Amateurs puis joue dans La Dernière Cavale (1997), premier film réalisé par Kiefer Sutherland. En 2000, elle tient un second rôle dans L'Homme sans ombre aux côtés d'Elisabeth Shue et Kevin Bacon. Son interprétation d'une chanteuse rock tourmentée dans Things behind the sun (2001) lui vaut une nomination aux "Independent Spirit Award".
À la télévision, elle apparaît en 1995 dans les courtes séries New York News et Swift Justice, puis dans Spin City en 1997. Elle tient un rôle régulier en 2001 dans Big Apple avant l'annulation de la série au bout de 6 épisodes. Après la mini-série Out of Order avec Felicity Huffman en 2003, elle participe l'année suivante à la série western Deadwood avant de se perdre dans un épisode de la 2ème saison de Lost en 2006.