Élevée par des parents libertaires, Radha Mitchell joue la comédie pour la télévision alors qu'elle est encore lycéenne -elle tournera notamment dans la série à succès Les Voisins - avant de suivre des études de psychologie et de cinéma. A l'université, elle rencontre Emma-Kate Croghan qui lui offrira son premier rôle sur grand écran dans Love and Other Catastrophes, aux côtés d'une autre débutante, Frances O'Connor. La comédienne accède à la notoriété en 1998 avec High Art de Lisa Cholodenko, film indépendant très remarqué dans lequel elle incarne avec subtilité une ambitieuse journaliste qui tombe amoureuse de sa voisine.

Désormais installée à Los Angeles, Radha Mitchell alterne premiers rôles dans des productions indépendantes (Everything put together, deuxième opus de Marc Forster ou le cultissime Pitch Black) et seconds rôles dans des blockbusters (Phone game). Après s'être essayée à la réalisation avec le court Four reasons en 2002, elle donne la réplique à Denzel Washington dans Man on fire (2004) et à Johnny Depp dans Neverland (2005). Par la suite, elle se voit offrir par Woody Allen le (double) rôle-titre de Melinda et Melinda, un film qui, en mêlant comédie et drame, lui permet de montrer l'étendue de son répertoire. Loin de l'univers de l'auteur new-yorkais, la comédienne aux goûts éclectiques enchaîne avec Silent Hill, adaptation du célèbre jeu vidéo par Christophe Gans.

L’année suivante, elle tourne dans Solitaire au milieu des crocodiles. Oscillant entre la comédie et le film d’horreur, Radha Mitchell poursuit sa carrière aux côtés de Luke Wilson dans Henry Poole Is Here. Délaissant un temps ces deux genres, l’actrice participe en 2008 à un film historique situé dans la Chine des années 30: Les Orphelins de Huang Shi . Toujours prête à changer de temporalité, c’est dans une société futuriste qu’on la retrouve, un an après, dans Clones où elle donne la réplique à Bruce Willis. De retour au cinéma d’horreur en 2010, Radha Mitchell est Judy Dutton, le médecin d’un village en proie à la folie dans The Crazies de Breck Eisner.