Shannyn Sossamon ha fatto il suo debutto cinematografico nel film d’avventura ambientato nel medioevo "Il destino di un cavaliere" di Brian Helgeland, al fianco di Heath Ledger. In seguito, ha lavorato nuovamente con il regista Brian Helgeland e l’attore Heath Ledger nel thriller religioso "La setta dei dannati".
Fra i suoi primi film figurano la commedia romantica di Michael Lehmann "40 giorni e 40 notti", al fianco di Josh Hartnett, e il film drammatico di Roger Avary "Le regole dell’attrazione", con James Van Der Beek, Jessica Biel ed Eric Stoltz.
Accanto a Patrick Fugit, Shannyn Sossamon è stata la protagonista del film "Wristcutters - Una storia d’amore", dello sceneggiatore e regista Goran Dukic, che ha ricevuto due nomination all’Independent Spirit Award e una al Gotham Award, tra gli altri premi. Inoltre, il film ha ricevuto una nomination al prestigioso Humanitas Prize.
Il suo curriculum di attrice comprende inoltre la partecipazione a un altro lungometraggio indipendente, "The End of Love", a fianco dello sceneggiatore/regista Mark Webber, per il quale ha ottenuto il favore della critica; è stata la protagonista del film d’esordio di Shane Black "Kiss Kiss Bang Bang", al fianco di Robert Downey Jr. e Val Kilmer; ha recitato nel film di successo "L’amore non va in vacanza" di Nancy Meyers, nel film di Monte Hellman "Road to Nowhere", ha preso parte al film "Matrimonio in famiglia" di Rick Famuyiwa e al film horror "Chiamata senza risposta" diretto da Eric Valette.
Nell’estate del 2015, Shannyn Sossamon è diventata la protagonista della nuova serie televisiva rivelazione dell’anno di Fox Network, "Wayward Pines", con Matt Dillon, Charlie Tahan, Melissa Leo, Juliette Lewis e Terrence Howard. In precedenza aveva interpretato ruoli ricorrenti nelle serie televisive "Mistresses - Amanti", "Dirt" e la serie poliziesca/di vampiri "Moonlight".