Kirsten est née à Point Pleasant dans le New Jersey. Son père, Klaus, d'origine allemande, était cadre dans le milieu médical et sa mère Inez, d'origine suédoise, était artiste (après avoir été hôtesse de l'air) ; elle possédait une galerie d'art. Kirsten a un frère Christian né en 1986. En 1989, sa mère quitta la côte est pour aller s'installer avec ses deux enfants à Los Angeles (ses parents divorcèrent en 1995).
Kirsten Dunst a commencé sa carrière à l'âge de trois ans en apparaissant dans des spots publicitaires pour la télévision, avant de devenir mannequin pour les agences Ford Models et Elite Model Management. À l'âge de huit ans, elle fait sa première apparition cinématographique dans un court-métrage de Woody Allen,
Oedipus Wrecks.
Son premier rôle majeur a été celui de Claudia dans Entretien avec un vampire où elle jouait la fille par procuration de Tom Cruise et Brad Pitt. Si le film a reçu des critiques variées ; la performance de Kirsten Dunst a été plus reconnue, lui valant un MTV Movie Award du meilleure espoir féminin, un Saturn Award de la meilleure jeune actrice, et sa première nomination aux Golden Globe Award. Le film contient une scène dans laquelle Kirsten reçoit un premier baiser de Brad Pitt, alors son aîné de 18 ans. Dans un entretien au magazine américain Interview, elle commente cette scène comme l'ayant mise mal à l'aise : "Je trouvais ça dégoûtant, vous savez, j'avais 10 ans".
En 1995, elle joua le rôle de Judy Shepherd dans Jumanji qui lui valut sans doute d'être nommée l'une des 50 personnes les plus belles par le magazine People (elle y sera de nouveau nommée en 2002). Puis a joué l'année suivante le rôle de Charlie Chiemingo, une victime de la prostitution infantile, dans 6 épisodes de la saison 3 de la série TV Urgence.
En 1997, dans le dessin animé
Anastasia, elle a prêté sa voix pour le rôle de la jeune Anastasia Romanov, puis l'année suivante à la version anglaise de Kiki la petite sorcière.
En 1999, ne voulant pas apparaître dans une scène à caractère sexuel, ou avoir à embrasser Kevin Spacey acteur principal du film, Kirsten refuse le rôle de Angela dans American Beauty. Elle justifiera plus tard son choix : « Quand j'ai lu le script j'avais 15 ans et ne pense pas avoir eu la maturité pour le comprendre complètement ». On la retrouve alors dans le rôle de Lux Lisbon, une adolescente déboussolée, dans
Virgin Suicides de Sofia Coppola, présenté en projection spéciale au 43eFestival du Film international de San Francisco en 2000. Le film reçut des critiques plutôt favorables, notamment la critique de Peter Stack du San Francisco Chronic qui jugeait Kirsten comme « un équilibre ravissant d'innocence et de débauche ».
Elle tourne ensuite en 2000 Torrance Shipman, leader d'une équipe de pom-pom girls dans Bring It On, puis en 2001 une autre comédie pour adolescents, Get Over It.
En 2002 Kirsten joue le rôle pour lequel elle est à ce jour sans doute la plus connue : Mary Jane Watson, l'amie et objet de désir du héros de
Spider-Man, joué par Tobey Maguire. Le film dirigé par Sam Raimi fut un succès tant commercial que face à la critique.
Après son rôle de Betty Warren dans Le Sourire de Mona Lisa et Mary Svevo dans Eternal Sunshine of the Spotless Mind, elle reprend en 2004 le premier rôle féminin dans Spider-Man 2 - 2ème plus gros succès commercial aux États-Unis en 2004.
En 2006, elle retrouve la réalisatrice Sofia Coppola dans Marie Antoinette, présenté en projection spéciale au Festival de Cannes 2006. Après avoir été hué par le public, le film obtient des critiques favorables mais partagées : certaines sont pleines d'éloges, d'autres l'accueillent plus froidement.
En 2007, elle joue dans le
Spider-Man nettement moins bien reçu par la critique que les deux premiers, mais plus gros succès commercial et pour la série et pour Kirsten Dunst jusqu'à 2008. Ayant initialement signé pour trois films, elle déclara être ouverte à l'idée d'en faire un quatrième à la condition d'y être en compagnie de Sam Raimi et Tobey Maguire. Mais en janvier 2010, il a été annoncé que la franchise Spider-Man serait reprise, mais sans la participation d'aucun des trois,.
Kirsten a commencé à chanter en 2001 dans le film Get Over It. Dans Spider-Man 3, elle chante deux chansons en tant que Mary Jane Watson : l'une lors d'une performance à Broadway, l'autre en tant que serveuse dans un bar à jazz. Elle révélera plus tard qu'elle avait enregistré les chansons en studio, avant de les jouer en play-back.
Dans une interview à The Advertiser, Kirsten a expliqué qu'elle ne comptait pas suivre les pas d'acteurs comme Russell Crowe ou Toni Collette et sortir un album : « Certainement pas. Aucune chance. Ça marchait quand Barbra Streisand le faisait, mais de nos jours je trouve ça plutôt douteux. Ça passe mieux quand c'est un chanteur qui passe au cinéma ».
Elle a tourné dans Turning Japanese, une reprise de The Vapors, la princesse Majokko Akihabara. Le clip a été présenté à l'occasion de l'expo Pop Life à la galerie Tate de Londres d'octobre 2009 à janvier 2010.
Kirsten n'est pas mariée. On lui a prêté des relations éphémères avec le scénariste Jeff Smeenge, l'acteur Jake Gyllenhaal, et le musicien Johnny Borrell du groupe Razorlight, mais elle n'a pas de relation durable affichée.
Aux élections présidentielles américaines de 2004 elle soutenait le candidat démocrate John Kerry, puis en 2008 Barack Obama en soutien duquel elle dirige et commente Why Tuesday (Pourquoi mardi) un documentaire visant à pousser les Américains à aller voter.
Elle a fondé avec sa mère une société de production, la Wooden Spoon Productions, et vit actuellement à Toluca Lake en Californie, en compagnie de sa mère et de son frère. Elle possède un chien (Beauty) et trois chats (Felix, Zorro et Cat).
Elle a fait un séjour en cure de désintoxication pour soigner une dépression.