D'origine italienne et irlandaise, Linda Cardellini est la fille de Lorraine (née Herman) et de Wayne David Cardellini. Elle est la plus jeune des quatre enfants du couple. Elle débute sa carrière avec un spectacle scolaire à dix ans où elle chante. Après ce premier coup d'essai, elle se produit dans plusieurs productions scolaires et commence à suivre des cours de comédie, pour être diplômée en 1993 de la St. Francis High School à Mountain View.
Dès son arrivée à Los Angeles, Linda participe en 1994 au jeu télévisée The New Price Is Right, version américaine du Juste prix, dans lequel elle gagne une cheminée. Deux ans plus tard, elle débute une carrière à la télévision avec la série Bone Chillers, où elle incarne Sarah. S'en suit plusieurs apparitions dans d'autres séries comme 3e planète après le soleil, Pacific Palisades, Clueless, Kenan & Kel et Incorrigible Cory.
Au cinéma, c'est en 1997 qu'elle fait ses débuts avec la comédie Good Burger, où elle incarne une jeune femme déséquilibrée mentale, suivi d'un petit rôle dans Un cadavre dans le campus, où elle forme un couple avec Jason Segel, avec qui elle sera en couple plus tard.
Mais ce n'est qu'en 1999 qu'elle est révélée au grand public en interprétant Lindsay Weir, adolescente en pleine crise d'identité dans la série télévisée Freaks and Geeks, où elle partage la vedette avec James Franco, Jason Segel et Seth Rogen en autres. Même si la série n'a pas obtenu le succès espéré, Freaks and Geeks obtient le statut de série culte. Elle apparaît ensuite dans des films comme La Revanche d'une blonde, avec Reese Witherspoon et Sous le silence, incarnant la fille d'Andy Garcia.
En 2002, elle obtient le rôle de Vera dans l'
adaptation cinématographique du dessin animé Scooby-Doo, qui va obtenir un succès public. Elle reprendra ce rôle deux ans plus tard dans la suite.
Le rôle qui la consacre définitivement est celui de l'infirmière Samantha Taggart dans la série médicale Urgences, qu'elle incarne de 2003 à 2009 (date d'arrêt de la série)
En 2005, elle fait partie de la distribution prestigieuse du
Secret de Brokeback Mountain, film où elle joue avec Jake Gyllenhaal et Heath Ledger. Mis à part la télévision où récemment elle a tourné Comanche Moon, de Simon Wincer , elle joue aussi pour le cinéma (Le Garçon à mamie, American Gun et The Lazarus Project').
Après l'arrêt d'Urgences, elle prête sa voix au personnage de Bliss Goode dans la série d'animation The Goode Family, annulé au bout d'une saison.
Elle a vécu en couple avec l'acteur Jason Segel qu'elle a rencontré d'abord sur le tournage d'Un cadavre sur le campus, puis se sont retrouvés sur le tournage de Freaks and Greeks, où ils étaient les acteurs principaux, mais se sont séparés. Ce dernier a écrit le scénario du film Sans Sarah rien ne va, dans lequel il joue, qui est inspiré de cette rupture.
À noter qu'elle apprécie l'art, particulièrement celui de Margaret Keane et pratique les arts martiaux.