Née d'un père américain et d'une mère française, Mireille Enos débute sa carrière à la télévision où elle participe à de nombreuses séries par le biais de personnages peu importants, avant de décrocher dans Big Love son premier rôle conséquent. Elle connait la consécration en 2011 avec la très bien reçue série policière The Killing, où elle campe le personnage principal.

Comédienne de théâtre aussi, elle obtient son premier grand rôle sur les planches de Broadway dans la pièce "Qui a peur de Viginia Woolf ?". Interprétation qui lui vaut une nomination aux Tony Awards en 2005.

Mireille Enos ne tarde pas à recevoir des propositions pour jouer dans des films. Elle apparait ainsi dans le violent Gangster Squad (2012) en tant que femme du policier déterminé Josh Brolin. En 2013, elle incarne la compagne de Brad Pitt dans le film apocalyptique World War Z où un virus se propage et transforme les humains en créatures prédatrices.