Monica Barbaro naît le 17 juin 1990 à San Francisco. Très vite, elle développe une passion pour différents arts, à commencer par la danse. Disposant d’une formation classique en ballet, elle se distingue également en étudiant la salsa, le flamenco, la danse africaine et le modern jazz.

Après des études à la Tisch School of the Arts à New York, l’apprentie artiste décide de se tourner vers le cinéma. C’est en 2012 qu’elle fait ses premiers pas devant les caméras, dans différents courts-métrages. Un an plus tard, elle se retrouve au casting de son tout premier long-métrage, Bullish, réalisé par Brian Follmer et Jasen Talise.

Sur le petit écran, Monica Barbaro fait des apparitions dans plusieurs séries (Stitchers, Hawaii 5-0, Crazy Ex-Girlfriend…). En 2016, elle se fait véritablement remarquer en interprétant durant une dizaine d’épisodes le rôle de Yael, l’ennemie de Rachel, jouée par Shiri Appleby, dans Unreal. 

Affichant une prédisposition pour les séries, l’actrice campe l’année suivante l’un des héroïnes de Chicago Justice où elle marque les esprits dans la peau d’Anne Valdez. Les années qui suivent sont marquées par des rôles récurrents dans de nombreuses fictions du petit écran (Chicago P.D., The Good Cop, Splitting Up Together, Stumptown…).

Au cinéma, la comédienne incarne le rôle principal du drame The Cathedral de Ricky D’Ambrose avant de se démarquer en campant le Lieutenant Natasha "Phoenix" Trace dans le blockbuster Top Gun : Maverick de Joseph Kosinski (2022) face à Tom Cruise.

À l’affiche du film I’m Charlie Walker de Patrick Gilles la même année, Monica Barbaro se distingue l’année suivante en jouant dans la série Fubar, aux côtés d’Arnold Schwarzenegger.

Désormais jeune actrice en vogue à Hollywood, elle est également au casting de la comédie romantique Rendez-vous à minuit de Jonah Feingold, dans laquelle elle donne la réplique à Diego Boneta.

Quelques mois plus tard, le cinéaste James Mangold fait appel à elle pour se glisser dans les habits de la légendaire Joan Baez pour les besoins de son biopic sur Bob Dylan, Un parfait inconnu, avec Timothée Chalamet dans le rôle du mythique artiste. Monica Barbaro sera bientôt au casting du thriller Crime 101 de Bart Layton avec Halle Berry, Chris Hemsworth, Barry Keoghan et Mark Ruffalo.