Elle a étudié à l'Educational Center for the Arts in New Haven et au Boston University Tanglewood Institute et débute sa carrière au théâtre suivi, en 1992, de débuts télévisées avec la série New York, police judiciaire. Sa carrière cinématographique débute cinq ans plus tard avec In & Out et Big Party. De 1998 à 2000, elle enchaîne les apparitions au cinéma et à la télévision, dont un premier rôle dans la comédie Psycho Beach Party.
Mais c'est en 2001 avec le rôle de l'adolescente rebelle Claire Fisher dans la série télévisée acclamée du public et de la critique Six pieds sous terre (Six Feet Under), qu'elle se fait connaître du grand public. Elle l'incarnera durant les cinq saisons de la série et lui vaudra d'être nommé aux Emmy Awards deux années consécutives (2002 et 2003) dans la catégorie Meilleure actrice dans un second rôle. Après l'arrêt de la série en 2005, elle continue à tourner pour le cinéma dans Diggers, Âmes en stock et un doublage pour
Max et les maximonstres, suivi d'un rôle régulier à la télévision The Return of Jezebel James, série télévisée annulée au bout de trois épisodes. Toujours pour la télévision, elle incarne le rôle principal du téléfilm Loving Leah.
Durant cette période, elle fait ses débuts à Broadway en 2006 avec Awake and Sing!. S'en suit d'autres rôles au théâtre comme Juliette dans Roméo et Juliette, joué au Delacorte Theater, dans Central Park, qui connaît un succès critique, Ophélie dans Hamlet. En 2008, elle joue aux côtés de Geoffrey Rush dans Le Roi se meurt, pièce écrite par Eugene Ionesco.
Lauren Ambrose est mariée à Sam Handel, photographe professionnel de Needham, dans le Massachusetts, depuis septembre 2001. Ils ont un fils, Orson (né le 16 janvier 2007) et vivent actuellement dans Great Barrington, dans le Massachusetts.