Elevée par une mère célibataire, Rene Russo se retrouve à 10 ans atteinte d'une scoliose et est obligée de porter un corset encombrant. Pour subvenir aux besoins de la famille, elle commence à travailler très tôt et délaisse ses études. Mais le hasard veut qu'un agent, John Crosby, la découvre lors d'un concert des Rolling Stones. Elle devient rapidement un célèbre mannequin et à 18 ans passe à la prestigieuse agence Ford.

En 1987, Rene Russo débute sa carrière de comédienne par un premier rôle dans Sable, une série télévisée qui se révèle être un échec. Elle passe alors au grand écran en 1989 dans Les Indians dans le rôle de la petite amie de Tom Berenger. Elle se spécialise dans ce rôle de copine sexy, celle de James Belushi dans Monsieur Destinée ou de Emilio Estevez dans Freejack.

1992 marque un tournant dans sa carrière. En policier sexy qui fait tourner la tête de Mel Gibson dans L'Arme fatale 3, elle séduit aussi le public. Un an plus tard, elle compose une nouvelle fois un détective qui fait craquer cette fois-ci Clint Eastwood, dans Dans la ligne de mire. Son sex-appeal fait à nouveau merveille dans Get Shorty et Tin Cup mais surtout en 1999 dans Thomas Crown où elle forme un couple glamour avec Pierce Brosnan. En 2001, elle est productrice de télé réalité dans Showtime.

Après près de trois ans d'absence, Rene Russo revient dans l'actualité cinématographique en persistant à jouer de son charisme. Elle incarne la femme de Al Pacino dans le drame Two for the Money (2005) puis change de partenaire pour se retrouver dans les bras de Dennis Quaid dans la comédie familiale Une famille 2 en 1 (id.). L'actrice disparait ensuite encore des écrans, cette fois-ci jusqu'en 2011 où elle campe la mère de Thor dans le blockbuster du même nom et sa suite qui sort en 2013. 

L'année suivante, Rene Russo tient un rôle marquant dans le thriller Night Call porté par un Jake Gyllenhaal méconnaissable, celui d'une responsable des programmes d'une chaîne de télévision prête à tout pour faire de l'audience.