Fille d'une mère travaillant dans une agence de garde d'enfant à but non lucratif et d'un père musicien, Alison Brie passe sa jeunesse dans le quartier de South Pasadena, se situant dans la banlieue de Los Angeles. Après ses études au California Institute of the Arts à Valencia, elle obtient son diplôme d’actrice et débute sa carrière à la télévision dans un épisode de la série Hannah Montana en 2006, via le petit rôle de Nina, l’apprentie coiffeuse. Remarquée pour son talent dans la web-série "My Alibi", elle décroche son premier rôle récurent dans Mad Men, ce qui lui apporte un début de notoriété. Dans cette brillante série qui s'apprête à devenir culte, Alison Brie se glisse dans la peau de la femme de l'arrogant et infidèle commercial Pete Campbell.

Mais le succès arrive vraiment en 2009, lorsqu’elle est choisie pour l’un des rôles principaux de la sitcom à succès Community, celui d'Annie Edison, la benjamine du groupe à la fois ultra-performante innocente. La série dure jusqu'en 2014, année où elle est annulée faute d'audience.

Parallèlement, Alison Brie joue dans des films comme Scream 4 (2011) tout en privilégiant les comédies romantiques à l'instar de Save the Date et 5 ans de réflexion où elle interprète ni plus ni moins que la femme d'un certain Chris Pratt qui s'apprête à devenir l'un des acteurs les plus demandés du moment. Après avoir prêté sa voix à l’un des personnages du film d’animation La Grande Aventure Lego diffusé en 2014, la comédienne profite de l'arrêt de Community et Mad Men pour se consacrer davantage au cinéma : elle est ainsi en 2015 à l'affiche de deux comédies : No Stranger Than Love et Jamais entre Amis où elle incarne une femme qui vit dans l’adultère au côté de Jason Sudeikis.

En 2020, elle tourne sous la direction de son mari Dave Franco dans le thriller The Rental, où deux couples deviennent les proies d'un tueur dans une maison isolée en bord de mer...