Née d'une mère d'origine polonaise et d'un père australien, Mia Wasikowska débute sa carrière artistique comme danseuse de ballet entre neuf et quinze ans, mais décide vite de s'orienter vers la comédie. En 2004, elle obtient son premier rôle dans la série All Saints, puis découvre le cinéma en s'illustrant notamment dans Le Feu sous la peau (2006) et le film d'horreur Solitaire (2008).
Cette même année, Mia Wasikowska est remarquée aux Etats-Unis grâce à son rôle d'adolescente en détresse dans la série HBO En analyse, une performance qui lui vaut ensuite de jouer dans des longs métrages ambitieux comme Les Insurgés, aux côtés de Daniel Craig, ou encore Amelia, où elle donne la réplique à Hilary Swank.
C'est cependant en juillet 2008 que la jeune femme voit sa carrière basculer : Tim Burton la choisit en effet pour incarner l'héroïne principale de son Alice au Pays des Merveilles, et ainsi côtoyer au générique Johnny Depp et Helena Bonham Carter. Énorme succès au box-office, ce long-métrage lui ouvre bien des portes, lui permettant ainsi d’accélérer son rythme de travail.
Cependant, loin de multiplier les grosses productions, la jeune actrice privilégie les films d'auteur et tient ainsi le haut de l'affiche dans l'adaptation de Jane Eyre du réalisateur débutant Cary Fukunaga. L'année 2011 lui permet également de fouler pour la première fois les marches de Cannes, aux côtés de Gus Van Sant et l'équipe du film Restless. Sa popularité croissante et l'estime qu'elle commence à recevoir de la profession l'amènent, l'année suivante, à donner la réplique à des grands noms comme Glenn Close et Aaron Johnson dans Albert Nobbs.