Après une carrière de mannequin dans son adolescence, Kimberly Alexis Bledel fait ses débuts à la télévision, en 2000, dans la série télévisée Gilmore Girls, qui la rendra rapidement célèbre. En 2004 elle entame une carrière au cinéma. Dès lors, on l'apercevra dans DysEnchanted, The Orphan King, et I'm Reed Fish, avant de jouer dans 4 filles et un jean et Quatre filles et un jean 2, qui rencontreront tous deux un grand succès mais on la remarquera par son jeu d'actrice surtout dans Sin City.
Durant le tournage de Gilmore Girls, elle fait la connaissance de
Milo Ventimiglia qui devient son compagnon pendant trois ans et demi, mais les deux acteurs se séparent en juillet 2006.
Après 7 saisons, Gilmore Girls prend fin en 2007. Au cours de sa carrière, elle a été de nombreuses fois citée dans la presse féminine (Cosmopolitan, W, TV Guide) comme étant l'une des plus belles actrices au monde de ces dix dernières années.