Fille de Bruce Dern et Diane Ladd, filleule de Shelley Winters, Laura Dern baigne dans le cinéma depuis son plus jeune âge. Après des études avortées (un jour à UCLA, un semestre à USC), elle décide de devenir actrice. Laura Dern obtient son premier rôle en 1980 dans Ça plane, les filles !  d’Adrian Lyne. La comédienne apparaît ensuite à la télévision et au cinéma dans Ladies and Gentlemen (1981), Ras les profs (1984), Mask (1985) aux côtés de Cher, Smooth Talk (1985). Elle joue souvent aux côtés de sa mère et est principalement cantonnée aux rôles de jeunes filles jolies et innocentes.

L'année 1986 marque un tournant dans sa carrière puisqu'elle joue dans Blue Velvet sous la direction de David Lynch, dont elle va devenir l'une des actrices fétiches. Elle le retrouve quatre ans plus tard après avoir tourné Haunted Summer et Les maîtres de l'ombre. Dans Sailor et Lula, Palme d'Or au Festival de Cannes 1990, elle forme avec Nicolas Cage l'un des couples les plus emblématiques du cinéma. L'actrice casse son image lisse avec ce rôle de blonde incendiaire et rebelle embarquée dans une cavale avec son amant. 

Deux ans plus tard, elle continue de prouver qu'elle n'est pas qu'une "fille de" en récoltant une nomination à l'Oscar de la meilleure actrice pour Rambling Rose, dans lequel elle campe une jeune femme aux moeurs légères qui bouscule la vie d'une famille du Sud des États-Unis dans les années 30. Le succès se poursuit pour l'actrice en 1993 avec Jurassic Park de Steven Spielberg, où elle forme avec Sam Neill un couple de paléontologues confronté à de véritables dinosaures. Elle reprendra le rôle d'Ellie Sattle en 2001 pour Jurassic Park III.

Entre-temps, elle tourne sous la direction de Clint Eastwood dans Un monde parfait, d'Alexander Payne dans Citizen Ruth, de Robert Altman dans le choral Docteur T et les femmes et de Billy Bob Thornton dans la comédie noire Daddy and Them. Après avoir donné la réplique à Sean Penn dans Sam, je suis Sam, elle enchaîne les productions indépendantes (We Don't Live Here Anymore, Happy Endings, The Prize Winner of Defiance, Ohio).

Elle revient sur le devant de la scène en 2006 avec Inland Empire, plongée cauchemardesque et torturée dans la psyché humaine orchestrée par David Lynch. La comédienne varie ses rôles, et joue dans divers registres : le film policier (Cœurs perdus, 2006), la comédie (Mon beau-père et nous, 2010), le drame (The Master, 2012) et la romance (Nos étoiles contraires, 2014).

À partir des années 2010, sa carrière connaît un second souffle. La télévision lui fait les yeux doux et elle est pour la première fois la star d'une série en 2011. Durant les deux saisons d'Enlightened, elle campe une femme au comportement autodestructeur qui décide de changer. Sa prestation lui vaut d'être nommée aux Emmy Awards et aux Golden Globes. En 2014, ce sont les Oscars qui la nomment en tant que meilleur second rôle féminin pour le récit initiatique Wild. 

Au cours de cette décennie, elle est sollicitée par des cinéastes indépendants comme Kelly Reichardt (Certaines Femmes), Alexander Payne (qu'elle retrouve pour Downsizing), Greta Gerwig (Les Filles du Docteur March) et Noah Baumbach. Grâce à ce dernier, qui lui confie le rôle d'une impitoyable avocate dans Marriage Story, elle obtient en 2020 le premier Oscar de sa carrière, celui du meilleur second rôle féminin. Mais elle ne se cantonne pas aux productions indépendantes : en 2017, elle est le vice-amiral Amilyn Holdo dans Star Wars - Les Derniers Jedi. 

Le petit écran lui permet tout autant de briller : le téléfilm choc Le Passé recomposé (2018) sur les abus sexuels lui vaut une nomination aux Emmy Awards, elle retrouve David Lynch pour la très attendue série Twin Peaks: The Return (2017) et fait des étincelles au générique de Big Little Lies, où elle parvient à tirer son épingle du jeu face à Reese Witherspoon, Nicole Kidman et Shailene Woodley. Un Emmy Award vient récompenser en 2017 son interprétation de la businesswoman et mère de famille Renata Klein.

En 2022, Laura Dern renoue avec le grand spectacle et l'un de ses rôles phares : elle reprend le rôle d'Ellie Sattle dans Jurassic World: Le Monde d'après. Presque trente ans après le film de Steven Spielberg, elle retrouve Sam Neill et Jeff Goldblum pour une nouvelle aventure.

Emilie Schneider