Depuis qu'elle est enfant, Brie Larson sait qu'elle veut devenir comédienne. C'est à l'âge de 7 ans qu'elle intègre l'American Conservatory Theatre de San Fransisco et devient ainsi la plus jeune élève de l'Histoire de l'école, qui a l'habitude d'accepter ses étudiants à partir de 8 ans. Elle joue dans ses premières productions à 9 ans en enchaînant des rôles secondaires dans des épisodes de séries télévisées comme Les Anges du Bonheur (1998) ou encore Popular (1999). Elle endosse également des petits rôles dans des fictions pour le cinéma, dont 30 ans sinon rien (2004) avec Jennifer Garner.

En 2005, Brie est l'une des têtes d'affiche de la comédie Hoot, aux côtés de Luke Wilson et Logan Lerman, où des adolescents tentent de sauver une espèce de hiboux en voie d'extinction. Après un passage éclair sur la saison 3 de la série Ghost Whisperer, elle rejoint en 2009 les castings de Tanner Hall avec Rooney Mara et House Broken avec Danny DeVito avant de décrocher le rôle qui la fait connaître du grand public, celui de Kate Gregson dans les trois saisons de la série United States of Tara. La série de Diablo Cody (scénariste du film Juno avec Ellen Page) saluée par la critique, qui met en scène Toni Collette dans le rôle de Tara, mère de famille ayant un problème de personnalité multiple, est un tremplin pour l'actrice.

Entre la première et deuxième saison, on la voit dans le rôle marquant d'Envy Adams, leader du groupe mondialement connu The Clash at Demonhead (aussi chanteuse, elle interprète elle-même la chanson Black Sheep) et ex-petite amie de Scott Pilgrim - interprété par Michael Cera -, dans le film réalisé par Edgar Wright en 2010, Scott Pilgrim Vs. The World. Par la suite en 2012, elle rejoint l'équipe de 21 Jump Street menée par les très demandés Jonah Hill et Channing Tatum dans le personnage de Molly, une lycéenne dont Hill tombe follement amoureux. Un an après, la comédienne porte le drame poignant States of Grace de Destin Cretton, qui remporte de nombreux prix dans les festivals.

Brie repart d’ailleurs elle-même avec quelques prix pour son interprétation, un au Festival de Locarno et l'autre au Gotham Independant Film Awards. C'est la même année qu'elle joue la soeur de Joseph Gordon-Levitt dans le premier film réalisé par celui-ci, Don Jon, une sorte de Shame moins noir. En 2016, la jeune femme est propulsée sur le devant de la scène en remportant l'Oscar de la meilleure actrice pour son interprétation de Joy, une mère séquestrée avec son garçon de 5 ans dans Room. Brie affronte ensuite King Kong dans Skull Island en 2017 et retrouve Destin Cretton dans Le Château de verre, où Woody Harrelson balade sa famille sur la route pour échapper aux créanciers.

Brie Larson est ensuite choisie pour se glisser dans la peau de Captain Marvel dans le 21ème blockbuster du MCU. Un personnage qu'elle reprend régulièrement, comme en témoignent ses prestations dans Avengers: Endgame, Shang-Chi et la Légende des Dix Anneaux (le temps d'un caméo dans une scène post-générique), la série Miss Marvel et The Marvels. Parallèlement, Elle réalise son premier long métrage, la comédie Unicorn Store, apparaît dans le biopic judiciaire La Voie de la justice et dans le film d'action Fast and Furious 10. Dans ce dernier, elle incarne Tess, la fille de Kurt Russell prêtant main forte à Vin Diesel et sa bande, confrontés à un redoutable antagoniste interprété par Jason Momoa.