Née aux Bermudes, où son père était chargé de la formation des policiers, elle déménage à Huddersfield (Yorkshire) à l'âge de 5 ans et y demeure jusqu'à ses 17 ans. Lena Headey est diplômée de l'English Rose School of Acting. Elle a fréquenté l'acteur Jason Flemyng lors du tournage de The Jungle Book (1994). Ils se sont séparés après neuf ans. Elle a été fiancée à Johnny Cicco. Elle est mariée à Peter Paul Loughran depuis le 19 mai 2007
En 1992, elle est remarquée pour la première fois dans le film Waterland de Stefen Gyllenhaal, en jouant le rôle de l'épouse de Jeremy Irons.
En 1993, elle joue dans Les Vestiges du jour, puis tourne un autre film, The Summer House.
Elle a aussi joué dans le téléfilm Merlin et dans Onegin où elle était la soeur de Liv Tyler, ainsi que dans plusieurs autres films tels que : Fausses rumeurs, Aberdeen, The Actors...
On a également pu la voir dans Les Frères Grimm, où elle est accompagnée de Matt Damon et de Heath Ledger.
Plus récemment, elle tient le rôle de la reine Gorgo dans l'énorme succès 300 de Zack Snyder, elle apparaît aussi dans La Crypte et dans Imagine Me & You. Dans ces deux films-ci, elle joue avec Piper Perabo avec qui elle est très amie, et même amante dans Imagine Me & You.
Elle a interprété pendant deux saisons le rôle de Sarah Connor dans une série produite par la FOX intitulée Terminator : Les Chroniques de Sarah Connor.
Prochainement, elle tiendra le rôle de Cersei Lannister dans la série télévisée Le Trône de Fer sur la chaîne HBO.
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“ 2 étoiles car il y a Lena Headey & Lily Collins. Sinon les ados émo dépressifs qui sauvent le monde sur fond de zik pop/rock, non merci... ”— Alexander_R25 octobre 2013
“ Quand la remake est mieux que l'original ! Headey en méchante efficace et le contraste entre les forces de l'ordre et les malfrats ! Sweet ! ”— jared33327 mars 2018