Née en Australie, Peta Wilson arrive aux Etats-Unis en 1991 pour étudier l'art dramatique à l'Actors Circle Theater de Los Angeles sous la direction d'Arthur Mendoza, puis au TomCats Repertory de Tom Waits. Elle décroche rapidement des rôles dans des films indépendants tels que Loser , One of Our Own, et dans la série d'HBO, Strangers. Bien qu'elle n'apparaisse que dans un seul épisode sur 13, cette expérience lui ouvre les portes de la télévision.

En 1996, elle s'apprête à déménager à New York pour se tourner vers le théâtre, lorsque son agent la convainc d'auditionner pour La Femme Nikita, une série de USA Networks basée sur le film français de Luc Besson. Elle accepte et décroche le rôle titre, devant deux cents concurrentes. La série dure 5 ans, et Peta Wilson reçoit, pour sa performance, deux nominations aux Gemini Awards dans la catégorie "Meilleure Actrice dans une Série Dramatique".

Entre 2000 et 2002, Peta enchaîne les rôles, tantôt sur grand écran, dans Amours Mortelles, tantôt dans des projets télévisés comme A Girl Thing et Joe and Max. L'année suivante, elle incarne Mina Harker de La Ligue des Gentlemen Extraordinaires puis Aly dans deux épisodes de Jonny Zero. En 2006, elle participe à Gardens of the Night, de Bryan Singer, avant de figurer au casting de Superman Returns.