Australienne de naissance, Margot Robbie fait ses débuts de comédienne dans les films Vigilante et I.C.U., réalisés par Aash Aaron en 2008 et 2009. Elle tient en parallèle le rôle récurrent de Donna Freedman dans le soap Les Voisins et décroche deux nominations aux Logie Awards, équivalents australiens de nos 7 d’or. Elle quitte alors la série et son pays en 2011 pour tenter sa chance à Hollywood. Toujours pour la télévision, mais cette fois-ci américaine, elle incarne aux côtés de Christina Ricci une mignonnette hôtesse de l'air dans la série Pan Am. Faute d'audience, le feuilleton prend fin au bout d'une quinzaine d'épisodes.

C’est en 2013 que sa carrière décolle, puisqu'elle décroche un rôle dans Il était temps de Richard Curtis et surtout incarne Naomi Lapaglia dans Le Loup de Wall Street, biopic sur la vie du courtier en bourse Jordan Belfort, réalisé par Martin Scorsese et porté par la superstar Leonardo DiCaprio. Révélation sexy du lucratif film (390 millions de dollars de recettes mondiales), Margot Robbie est désormais au centre de toutes les attentions. La comédienne enchaîne donc avec Diversion, dans lequel elle se glisse dans la peau d'une apprentie criminelle qui a une relation avec un arnaqueur professionnel joué par un certain Will Smith...

Qu'elle retrouve l'année suivante dans le très attendu Suicide Squad où elle campe Harley Quinn, la protégée du Joker. Toujours en 2016, elle prend part au nouveau Tarzan via le rôle de Jane. En 2018, Margot Robbie incarne la patineuse Tonya Harding dans le biopic Moi, Tonya, qui lui vaut sa première nomination à l'Oscar de la meilleure actrice. Elle poursuit avec Marie Stuart, Reine d'Écosse, dans lequel elle campe la reine Élisabeth Ière, le thriller Dreamland et surtout le très encensé Tarantino Once Upon a Time... in Hollywood via le rôle de Sharon Tate aux côtés de DiCaprio et Brad Pitt. Actrice engagée, elle s'oppose à l'ignoble Roger Ailes dans un autre biopic : Scandale.

Margot Robbie attaque les années 2020 en reprenant son personnage culte de Harley Quinn dans Birds of Prey et The Suicide Squad. Décidément amatrice de films d'époque au casting impressionnant, elle tourne sous la houlette des prestigieux réalisateurs David O. Russell (Amsterdam) et Damien Chazelle (Babylon). Alternant avec des registres plus légers, l'actrice incarne en 2023 le rôle-titre dans Barbie de Greta Gerwig, donnant pour l'occasion la réplique à une autre superstar mondiale en la personne de Ryan Gosling. Ne se contentant pas d'être devant la caméra, la comédienne est aussi productrice de cette méta-comédie qui s'impose aussi bien au box-office mondial qu'au sein de la culture pop.