Fille unique de parents tous deux musiciens, elle a grandi à Bristol (Angleterre) avant d'intégrer l'Université d'Oxford, d'où elle sort diplômée en littérature anglaise en 2001. C'est à l'université qu'elle contracte le goût du théâtre et acquiert de l'expérience en jouant dans de nombreuses pièces étudiantes, principalement du théâtre classique, Shakespeare notamment.

Remarquée à cette occasion par un agent, elle commence sa carrière professionnelle par des apparitions dans des mini-séries télévisées britanniques. Mais le rôle qui va véritablement la révéler au grand public est celui de l'agent double Miranda Frost dans le James Bond Meurs un autre jour, où elle partage l'affiche avec Pierce Brosnan et Halle Berry. Elle enchaîne ensuite avec des films comme Rochester, le dernier des libertins, qui lui vaudra le BAFTA de la meilleure actrice dans un second rôle, aux côtés de Johnny Depp, Doom, l'adaptation d'un jeu vidéo, et Orgueil et préjugés, où elle tient le rôle de Jane Bennet.

Elle n'a cependant pas délaissé le théâtre et monte régulièrement sur les planches à Londres. Contrairement à ses débuts classiques, elle n'hésite pas à tenir des rôles plus audacieux, tel que celui de la pièce The Hitchcock Blonde, où elle apparaissait chaque soir entièrement nue sur scène. Elle a été en couple durant deux ans avec Simon Woods, son partenaire dans Orgueil et Préjugés. Elle vit actuellement à Londres. Violoncelliste accomplie, elle parle couramment le français et l'allemand.