Willa Holland passe une partie de son enfance à Londres aux côtés de sa famille avec pour beau-père un certain Brian De Palma. De retour aux Etats-Unis, à 8 ans à peine, elle se fait remarquer par Steven Spielberg qui lui conseille de tenter sa chance dans le métier d'acteur, comme l'a fait d'ailleurs la mère de la jeune fille, Darnell Gregorio-De-Palma. La même année, elle se lance également dans le mannequinat avec l'agence Ford.

En 2001, elle tourne son premier film, "Ordinary Madness". Quelques années plus tard, c'est son rôle de Kaitlin Cooper, soeur du personnage de Micha Barton dans la série Newport Beach, qui lui permet de se faire plus amplement connaître du grand public. Par la suite, c'est clairement par le biais du petit écran qu'elle est sollicitée. En 2008, elle obtient le rôle d'Agnes, une jeune mannequin, dans Gossip Girl. Willa Holland est ensuite choisie pour jouer Thea Queen, l'un des personnages centraux de la série Arrow.