Diplômée de l'American Academy of Dramatic Arts de Pasadena en Californie, Carrie-Anne Moss poursuit une carrière de mannequin qui l’emmène en Europe. Sélectionnée pour un rôle, elle retourne immédiatement à Los Angeles afin de rejoindre le casting de Dark Justice. La jeune femme enchaîne ensuite un autre tournage, dans une création intitulée, ironiquement : Matrix. Puis, le cinéma la voit faire ses débuts dans le thriller Flashfire, aux côtés de Billy Zane, ou encore dans The Soft Kill, avec l’atypique Brion James.

En 1999, les célèbres sœurs Lilly et Lana Wachowski, lui offrent son rôle le plus mémorable, celui du personnage principal féminin dans la célébrissime trilogie Matrix : Trinity. Cette dernière, hackeuse aux multiples talents, a des aptitudes en armes à feu et en arts martiaux, qui la rendent indispensable dans le combat contre la matrice, mené avec Neo. Véritables blockbusters, les trois volets de la saga propulsent Carrie-Anne au rang de vedette, lui permettant de tourner rapidement dans d’autres productions.

La comédienne rejoint ainsi John Hurt dans le film d’action New Blood, puis change de registre dans Le Chocolat en 2000. Dans cette romance, elle incarne Caroline Clairmont, une mère très protectrice qui s'oppose à Juliette Binoche. L’année s’avère chargée pour l'actrice, puisqu'elle se retrouve également au générique de la comédie The Crew, et participe au thriller Memento, grâce auquel elle décroche un Independent Spirit Award. La science-fiction l’appelle alors à nouveau dans Planète rouge, avec Val Kilmer.

Puis, de 2004 à 2012, Carrie-Anne enchaîne les tournages, mais aucunes des productions auxquelles elle prend part ne rencontrent le succès escompté. Durant cette période, la comédienne a néanmoins l’occasion de jouer auprès de nombreux acteurs de renoms, tels que Glenn Close dans Generation Rx, Sigourney Weaver dans Snow Cake, et Alec Baldwin dans Sex, Lies & Murder. Seul le thriller Paranoïak de D.J. Caruso, avec Shia LaBeouf, semble rencontrer un plus large public.

En 2008, Carrie-Anne rejoint Ryan Reynolds, Julia Roberts, et Willem Dafoe dans Fireflies in the Garden, qui, malgré son impressionnante distribution, obtient des critiques très mitigées. Quelque temps après, c’est aux côtés de Samuel L. Jackson que l’actrice, en agent du FBI, s’engage dans une course contre la montre pour sauver des vies dans No Limit.

L’artiste participe ensuite à une nouvelle grosse production en 2012, Silent Hill : Révélation, où elle interprète une terrifiante prêtresse, avec Kit Harrington, qu’elle retrouve deux ans plus tard dans Pompéi. D’autres films d’horreur lui sont alors proposés, tels que Compulsion et Frankenstein. Côté séries, Carrie-Anne campe un rôle principal dans Vegas, accompagnée par Dennis Quaid, et Michael Chiklis, mais la saison n’est pas reconduite.

Le retour notable de la comédienne se fait finalement en 2015, au travers de la série à succès, Marvel's Jessica Jones. Netflix lui propose d’y incarner une version féminine de l’avocat Jeryn Hogarth, et d’en faire le premier personnage lesbien de l’univers Marvel. Par la suite, l’actrice réalise des caméos dans Daredevill, Iron Fist et The Defenders. En 2016, Carrie-Anne Moss revêt la blouse du Docteur Athena Morrow, à partir de la saison 2 de Humans, où les machines, à l’instar de Matrix, ont chamboulé la vie des Hommes. On peut également la voir en agent du FBI dans Wisting et en matriarche forte dans la deuxième saison de Tell Me a Story.

En 2021, la native de Vancouver reprend son personnage de Trinity dans Matrix Resurrections, quatrième opus très attendu de la célèbre saga SF entamée en 1999. Le blockbuster est réalisé par Lana Wachowski (en solo).