Hilary Swank est née à Lincoln, au Nebraska. Son père, Stephen Swank, était officier dans la Garde nationale aérienne avant de devenir représentant de commerce; sa mère était Judy Clough. Hilary a un frère, Dan. Plusieurs membres de la famille Swank viennent de Ringgold County, dans l'Iowa.
Hilary est issue d'un milieu modeste, enfant, elle a grandi dans un mobile home à côté du Lac Samish à Bellingham, dans l'État de Washington, où elle a déménagé lorsqu'elle avait 6 ans. Hilary s'est aussi décrite jeune comme une « étrangère » qui pensait qu'elle n'avait sa place « seulement en lisant un livre ou en regardant un film, et qu'elle puisse s'impliquer dans un personnage », et fut ainsi inspirée pour devenir actrice.
Quand elle atteignit l'âge de 9 ans, Hilary fit sa première apparition sur une scène pour jouer le Livre de la Jungle, et s'impliqua ensuite dans les programmes de théâtres à son école et de son quartier. Elle alla au lycée de Sehome (Bellingham) jusqu'à ses 16 ans. Hilary participa aux « Olympiques Juniors » ainsi qu'au championnat de natation de l'État de Washington. Elle se classa 5e de l'État en gymnaste complète -- ce qui lui fut utile lorsqu'elle joua dans Miss Karate Kid (The Next Karate Kid, 1994) quelques années plus tard).
Les parents d'Hilary se séparèrent alors qu'elle avait 13 ans. Sa mère, soutenant le désir de sa fille à devenir comédienne, déménagea avec elle à Los Angeles, en Californie, où elles vécurent dans la voiture pendant deux mois jusqu'à ce que la mère d'Hilary eut mis assez d'argent de côté pour payer le premier loyer d'un appartement. Hilary décrit sa mère comme l'inspiration pour sa carrière d'actrice et pour sa vie pendant cette période et par la suite. En Californie, Hilary s'inscrivit dans le lycée de South Pasadena (bien qu'elle laissât tomber plus tard l'école) et commença à jouer de manière professionnelle. Elle aida aussi à payer le loyer avec l'argent qu'elle ramassait en faisant des apparitions dans des programmes télévisés tels que Evening Shade et Growing Pains.
En 1997, elle apparaît dans la série Beverly Hills 90210, dans le rôle de Carly Reynolds (1997-1998) une mère célibataire et petite amie de Steve Sanders alias Ian Ziering; elle est présente dans seize épisodes avant de se faire licencier de la série.
En 1999, Hilary obtient son premier grand rôle dans le drame biographique Boys Don't Cry, pour lequel elle interprète un transsexuel avec Chloë Sevigny et Peter Sarsgaard. Malgré le petit budget de ce film indépendant, les critiques sont unanimes tellement la prestation d'Hilary y est traumatisante de vérité, et la comédienne obtient, face à des poids lourds comme Meryl Streep ou Annette Bening, le Golden Globe de la meilleure actrice dans un film dramatique et l'Oscar de la meilleure actrice, sans parler de multiples autres récompenses internationales.
En 2001, elle apparaît dans les thrillers L'Affaire du collier et Insomnia avec Al Pacino et Robin Williams, avant de jouer une femme au foyer battue par son mari face à Cate Blanchett et Keanu Reeves dans Intuitions. La gloire arrive en 2005, avec sa prestation de boxeuse au destin aussi fulgurant que tragique dans le drame sportif de Clint Eastwood, Million Dollar Baby, qui lui vaut son second Oscar de la meilleure actrice. Elle tient en 2006 un rôle de femme fatale pour le grand Brian De Palma dans le thriller Le Dahlia Noir, tiré du roman de James Ellroy.
En 2007, elle devient une enseignante écrivain, Erin Gruwell, dans le drame social Freedom Writers, dirigé par Richard LaGravenese. Elle enquête sur de mystérieux événements dans le film d'horreur Les Châtiments avant de tourner à nouveau sous les ordres de Richard LaGravenese avec Gerard Butler et Lisa Kudrow dans la comédie romantique
P.S. I Love You, dans le rôle de Holly R.Kennedy, jeune veuve tentant de refaire sa vie.
Fin 2008, Hilary apparaît dans le film Les Oiseaux d'Amérique, avec Matthew Perry. En 2009, Hilary est à l'affiche du drame biographique Amelia, avec Richard Gere, sous la direction de Mira Nair.