La belle irlandaise entame une carrière de mannequin à l’âge de 19 ans avant de s’illustrer dans un court-métrage romantique en 2010. Elle se fait alors très vite remarquer et décroche, l’année d’après, un petit rôle dans Super 8, le troisième film de J.J. Abrams produit par Steven Spielberg et encensé par la critique.

L’actrice enchaîne ensuite avec la web-série originale The Beauty Inside, qui met en scène la vie tourmentée d’un jeune homme, interprété par Topher Grace, qui a le malheur de changer d’apparence à chaque fois qu’il se réveille le matin. Cette expérience lui permet de participer à la fiction d’anticipation H+, dans laquelle les êtres humains sont constamment connectés à internet par la simple force de la pensée.

Changement de cap en 2013 pour la comédienne qui tient le rôle principal du film d’horreur Crush, où elle joue l’admiratrice secrète d’un sportif de son lycée. La jeune femme s’initie alors au thriller et rejoint le casting du mystérieux Insaisissables, réalisé par le français Louis Leterrier, qui compte entre autres Jesse Eisenberg, Morgan Freeman ou encore Mélanie Laurent, et se prête au jeu de l’explosif Evasion, aux côtés de Sylvester Stallone et Arnold Schwarzenegger.

Mais c’est en 2014 que l’artiste se fait connaître du grand public lorsqu’elle campe le rôle de Claire Randall, une infirmière de guerre qui se retrouve accidentellement propulsée en 1743 en pleine campagne écossaise, dans le show à succès Outlander, diffusé aux Etats-Unis sur la chaîne Starz. Afin de survivre, Claire est contrainte d’épouser Jamie (Sam Heughan), un jeune guerrier. La série apporte un second souffle à sa carrière. Ainsi, elle se retrouve la même année à l’affiche du drame The Price of Desire, avec Vincent Perez et Elsa Zylberstein.

Tout en continuant l'aventure Outlander, l'actrice continue de faire des petites incursions sur grand écran. En 2019, elle incarne Mollie Miles, femme du pilote Ken Miles (Christian Bale) dans Le Mans 66.