Antonia Collette naît le 1er novembre 1972 à Blacktown, à l’ouest de Sydney en Australie. La petite fille issue d’un milieu modeste montre très jeune une attirance pour le théâtre. Elle entre d’abord à l'Australian Theatre for Young People, puis, elle suit dès l’âge de seize ans des cours d'art dramatique à l'Institut national d'art dramatique.
Elle débute sa carrière dans les années 1990, au théâtre. En 1992, elle se fait connaître du grand public avec Spotswood. La jeune actrice est entourée de Russel Crowe et Anthony Hopkins. Sa carrière s’envole en 1994. Elle se fait une place à Hollywood grâce au film Muriel. Elle est choisie pour donner la réplique à Bruce Willis dans Sixième Sens. En 2000, elle est d’ailleurs nommée à l’Oscar de la meilleure actrice dans un second rôle pour ce thriller. Au cours des années 2000, l’artiste remporte un Theatre World Awards pour la pièce The Wild Party.
Comédienne aux multiples visages, elle enchaîne les rôles. On la retrouve dans The Hours avec Nicole Kidman en 2002. Elle est à l’affiche de In Her Shoes en 2005, puis, en 2006 de Little Miss Sunshine. Elle confirme son talent dans des comédies dramatiques. Elle acquiert alors une renommée mondiale.
Entre 2009 et 2011, elle produit et joue le premier rôle de la série télévisée United States of Tara. Elle est récompensée par le Golden Globe de la meilleure actrice dans une série télévisée musicale ou comique (2010), ainsi que par un Primetime Emmy Awards (2009). Elle revient en 2016 sur grand écran dans Ma Meilleure Amie, avec Drew Barrymore. En 2018, sa prestation impressionne dans le film d’horreur Hérédité. En 2019, elle est au casting de la série Unbelievable.
Discrète sur sa vie privée, elle est mariée depuis 2003 à Dave Galafassi. Le couple a deux enfants, Sage Florence, née en 2008 et Arlo Robert, né en 2011.