Née d'une mère d'origine polonaise et d'un père australien, respectivement photographe et peintre, Mia Wasikowska débute sa carrière artistique comme danseuse de ballet, de neuf à quinze ans, mais décide vite de s'orienter vers la comédie. En 2004, elle obtient son premier rôle dans la série All Saints, puis découvre le cinéma en s'illustrant dans Le Feu sous la peau (2006) et le film d'horreur Solitaire (2008).

Cette même année, Mia Wasikowska est remarquée aux Etats-Unis grâce à son rôle d'adolescente en détresse dans la série HBO En analyse, une performance qui lui vaut ensuite de jouer dans des longs métrages ambitieux comme Les Insurgés, aux côtés de Daniel Craig, ou encore Amelia, où elle donne la réplique à Hilary Swank.

C'est cependant en juillet 2008 que la jeune femme voit sa carrière basculer : Tim Burton la choisit en effet pour incarner l'héroïne principale de son Alice au Pays des Merveilles, et ainsi côtoyer au générique Johnny Depp et Helena Bonham Carter. Énorme succès au box-office, ce long métrage qui donne lieu à une suite en 2016, lui ouvre bien des portes, lui permettant ainsi d’accélérer son rythme de travail.

Cependant, loin de multiplier les grosses productions, la jeune actrice privilégie les films d'auteur et tient ainsi le haut de l'affiche dans l'adaptation de Jane Eyre du réalisateur débutant Cary Fukunaga, où elle incarne l'héroïne. L'année 2011 lui permet également de fouler pour la première fois les marches de Cannes, aux côtés de Gus Van Sant et de l'équipe du film Restless.

Sa popularité croissante l'amène, l'année suivante, à donner la réplique à Glenn Close dans Albert Nobbs. Variant les genres, la jolie Mia est ensuite séduite par Shia LaBeouf pour les besoins du violent western Des hommes sans loi. Dans l'angoissant Stoker, elle est déchirée entre attirance incestueuse et répulsion pour Matthew Goode, sous le regard impitoyable de Nicole Kidman.

Son teint pâle et sa moue espiègle font d'elle l'actrice idéale pour rejoindre le couple de vampires hype composés par Tom Hiddleston et Tilda Swinton dans le morbide et lumineux Only Lovers Left Alive, dernière extravagance de Jim Jarmusch.

Proche d'Harmony Korine, elle apprend que son frère, le scénariste Avi Korine, collabore au script du deuxième long-métrage de Richard Ayoade, et entreprend alors de rencontrer ce dernier dont elle suit la carrière. L'actrice décroche alors un rôle dans le thriller The Double (2014). La même année, Mia continue de côtoyer les plus grands en étant à l'affiche du David Cronenberg Maps To The Stars.

Adepte de projets ambitieux, Mia Wasikowska porte l'horrifique Crimson Peak de Guillermo del Toro et se glisse dans la peau de Madame Bovary d'après l'oeuvre de Gustave Flaubert. Elle poursuit avec la suite d'Alice au pays des merveilles, qui cette fois-ci ne fait pas d'étincelles au box-office, puis le thriller de Cédric Jimenez HHhH et le très sombre Le Diable, tout le temps pour Netflix.

Se dirigeant davantage vers un cinéma exigeant voire élitiste, l'actrice tourne pour Mia Hansen-Løve dans Bergman Island et campe une professeure en diététique aussi fascinante que terrifiante dans Club Zero réalisé par l'Autrichienne Jessica Hausner.