Sortie diplômée de l'American Academy of Dramatic Arts de Pasadena, Carrie-Anne Moss débute en tant que top model en Europe et au Japon. A cette occasion, on lui propose un rôle régulier dans la série Le Juge de la nuit, dont la première saison est produite à Barcelone.

En 1993, elle fait ses premiers pas au grand écran, dans Flashfire. Dès lors, les thrillers et films d'action deviennent son domaine de prédilection. L'actrice s'illustre notamment dans Le Piège ou Trafic à haut risque, mêlant combats épiques et intrigues policières.

Avec la trilogie Matrix des frères Wachowski et son interprétation de Trinity aux côtés de Keanu Reeves, Carrie-Anne Moss s'impose comme une comédienne de premier plan. Lancée par ce succès, elle enchaîne avec Memento, un thriller glacial signé Christopher Nolan.

L'actrice diversifie ensuite ses rôles avec la comédie The Crew et un film de science-fiction, Planète rouge, où elle donne la réplique à Val Kilmer. On la voit également dans Suspect zéro et en 2007, dans le drame de Marc Evans, Snow Cake, aux côtés de Sigourney Weaver et Alan Rickman. La même année, elle est à l'affiche de deux longs métrages : le thriller Paranoïak et la comédie décalée d' Andrew Currie, Fido, où elle incarne une mère de famille déboussolée qui tombe amoureuse d'un zombie.