Mayim Bialik grandit dans une famille juive pratiquante et se passionne très tôt pour les arts de la scène. Adolescente, elle commence à apparaître dans des publicités et de petites productions télévisées. Sa carrière prend un véritable tournant à la fin des années 1980. C’est alors qu’elle obtient des rôles notables qui vont la propulser sur le devant de la scène.

Elle se fait connaître du grand public grâce à la série Blossom (1990-1995), où elle incarne Blossom Russo, une adolescente vive et originale. Malgré ce succès, elle choisit de mettre sa carrière d’actrice entre parenthèses pour poursuivre des études universitaires. Elle obtient ainsi un doctorat en neurosciences à la prestigieuse UCLA.

Après ses études, Mayim Bialik reprend sa carrière d’actrice et apparaît dans une multitude de séries, comme 7 à la maison, Larry et son nombril, Bones, Pour le meilleur et pour le pire, Saving Grace ou encore La Vie secrète d'une ado ordinaire pour ne citer qu'elles. En parallèle, elle effectue de nombreuses prestations vocales pour des séries animées.

En 2010, Mayim connaît un grand succès avec la série The Big Bang Theory en 2010. La comédienne y interprète Amy Farrah Fowler, une neuroscientifique excentrique. Ce personnage, à la fois drôle et attachant, devient central dans le show qui dure jusqu'en 2019. Grâce à cette performance, elle gagne une nouvelle génération de fans. 

Entre 2021 et 2023, Mayim Bialik porte la sitcom Call Me Kat. Elle y campe une célibataire endurcie qui décide de dépenser l’argent que ses parents avaient mis de côté pour son mariage afin d’ouvrir un bar à chat à Louisville, dans le Kentucky. On la voit aussi dans 3 épisodes de Young Sheldon, ainsi que dans le thriller Like Father, Like Son.

Laurent Schenck