Winona Ryder passe son enfance en Californie. Après avoir habité plusieurs années à San Francisco dans une communauté hippie, ses parents partent pour Petaluma où elle s’inscrit à la Petaluma High School avant d’intégrer l’American Conservatory Theatre à San Francisco. Elle débute sa carrière très tôt, en 1986, avec Lucas de David Seltzer. Après une apparition dans Square Dance de Daniel Petrie, elle obtient son premier grand rôle avec Tim Burton dans le célèbre Beetlejuice (1988). La jeune comédienne brille dans cette comédie macabre dans laquelle elle côtoie des stars telles que Geena Davis, Michael Keaton et Alec Baldwin. Elle obtient alors un bon succès critique dans le thriller Fatal Games (1989), elle joue dans ce film aux côtés de Christian Slater et Shannen Doherty. Mais ce sont ses prestations dans Edward aux mains d'argent (toujours de Burton et c'est avant ce film que le couple Ryder/Depp se forma!) et dans la comédie Les Deux Sirènes qui permettent à la jeune comédienne de montrer l’étendue de son talent. Le couple qu’elle forme avec Johnny Depp dans le conte de fée moderne devenu culte et la nomination aux Golden Globes qu’elle décroche pour son rôle d’adolescente catholique propulsent la jeune Winona au niveau de jeune enfant prodige d’Hollywood.

La comédienne travaille alors avec les plus grands metteurs en scène et donne la réplique aux plus grands comédiens : elle tourne avec Gena Rowlands sous la direction de Jim Jarmusch dans Une nuit sur la terre (1991), prête ses traits à la tendre Mina Murray dans le Dracula (1992) de Francis Ford Coppola et joue aux côtés de Glenn Close, Meryl Streep et Jeremy Irons dans la tragédie familiale La Maison aux esprits (1993). Son talent et l’implication qu’elle met dans ses rôles lui valent de nombreuses récompenses et nominations : elle est primée aux Golden Globes en 1994 dans la catégorie Meilleur second rôle pour sa composition de jeune épouse dévouée de Daniel Day-Lewis dans le mélo de Martin Scorsese, Le Temps de l'innocence (1993). Elle est également nommée pour ce film à l’Oscar du meilleur second rôle féminin cette année là, ainsi que l’année suivante à l’Oscar de la meilleure actrice pour Les Quatre Filles du docteur March (1994), dans lequel elle s’oppose à Susan Sarandon.

Sa notoriété ne l’empêche pourtant pas de jouer dans des productions plus indépendantes comme Génération 90 (1994), première réalisation de Ben Stiller dans laquelle elle se montre attachante face à Ethan Hawke, ou encore dans Le Patchwork de la vie (1995), chronique douce-amère où elle en impose face à des actrices confirmées comme Ellen Burstyn, Anne Bancroft ou Alfre Woodard. Retrouvant Daniel Day-Lewis dans La Chasse aux sorcières (1996), elle se fait prendre le rôle de Dorothy Boyd de Jerry Maguire par Renée Zellweger. Mais cela ne l’empêche pas d’obtenir un vif succès dans le film de science-fiction Alien, la résurrection en 1998. Ses performances dans le drame Une vie volée (1999) et dans la romance Un automne à New York confortent le fait que la comédienne est à l’aise dans tous les genres.

Elle est passée devant la justice en 2002 suite à un flagrant délit de vol à l’étalage et a été condamnée à plusieurs peines de travaux d’intérêt général, ainsi qu’à un suivi psychologique. Comédienne se faisant rare à l’écran (seulement quelques films ces dernières années comme S1m0ne), elle incarne en 2009 Amanda Grayson dans Star Trek, 11e film de la saga signé J. J. Abrams, où elle donne la réplique à Eric Bana.