Carla Gugino è nata a Sarasota, in Florida, da padre statunitense di origini italiane e da madre statunitense di origini inglesi ed irlandesi. All'età di cinque anni si è trasferita in California con la madre.
Ancora adolescente, intraprende la carriera di modella, trasferendosi a New York. Sentendosi a disagio, decide di tornare a Los Angeles, dove, spronata dalla zia Carol Merril, anche lei attrice, decide di frequentare un corso di recitazione. Nel 1989 fa la sua prima apparizione nel film "In campeggio a Beverly Hills". Nel 1994 appare nel videoclip della famosa canzone "Always" dei Bon Jovi.
Nel 1998 è diretta da Brian De Palma in "Omicidio in diretta". Viene conosciuta dal grande pubblico per il suo ruolo di Ingrid Cortez nel film "Spy Kids" e come protagonista nella serie TV "Karen Sisco". Negli anni successivi partecipa a diverse pellicole di successo, quali "Sin City", "Watchmen", "Capodanno a New York", "Sucker Punch". Nel 2015 è sugli schermi con "San Andreas", un film catastrofico diretto da Brad Peyton con protagonista Dwayne Johnson.