Elle est la fille de parents immigrés européens dans les années 1960. Son père, Emil Zellweger, est un ingénieur suisse et sa mère, Renée Kjellfrid est une infirmière norvégienne. Renée a un frère de deux ans son aîné, Drew Zellweger, né le 15 février 1967.
Dès le lycée, elle se découvre une passion pour la comédie au théâtre de l'école où elle joue avec une bande de copains. Elle poursuit un cursus universitaire et décroche un diplôme de Radio Télévision Film en 1991 à l'université d'Austin, la capitale du
Texas, où elle suit parallèlement des cours d'art dramatique et de comédie.
En 1993, à l'âge de vingt-quatre ans, après avoir décroché quelques petits rôles pour des séries de la télévision texane, elle décroche un premier petit rôle au cinéma dans le film My Boyfriend's Back de
Bob Balaban et joue en 1994 dans Massacre à la tronçonneuse IV de
Kim Henkel avec son copain d'école
Matthew McConaughey avec lui comme serial killer et elle dans le rôle de la victime.
En 1994, elle enchaîne avec Génération 90, aux côtés de
Winona Ryder et d'
Ethan Hawke, et dans Love and a 45. Le succès de son interprétation dans ce dernier film et une nomination aux Independent Spirit Awards dans la catégorie « Meilleur espoir féminin 1994 », l'incitent à tenter sa chance à Hollywood, où elle part s'installer.
En 1996, elle décroche son premier grand rôle hollywoodien avec le second rôle féminin de
Jerry Maguire de
Cameron Crowe qui la préfère à
Winona Ryder, aux côtés de
Tom Cruise dont son personnage tombe amoureuse.
En 2000, elle joue Fous d'Irène avec
Jim Carrey avec qui elle se fiance un temps.
En 2001, elle connaît un triomphe et devient une star mondiale avec
Le Journal de Bridget Jones avec
Hugh Grant où elle incarne une jeune Londonienne célibataire fragile et romantique, très angoissée de finir vieille fille, qui entreprend de trouver l'homme idéal de ses rêves.
En 2003, elle réalise une véritable performance athlétique et artistique d'actrice de music-hall avec le film-comédie musicale
Chicago aux côtés de
Richard Gere et de
Catherine Zeta-Jones. La même année, elle partage un premier rôle avec
Nicole Kidman dans
Retour à Cold Mountain d'
Anthony Minghella, film qui lui fait empocher l'Oscar et le Golden Globe de la meilleure actrice dans un second rôle en 2004.
Elle a vécu avec
George Clooney pendant un temps, puis avec
Jack White, Damien Rice et avec le chanteur de country Kenny Chesney, avec qui elle a été mariée pendant quatre mois en 2005. Elle partage désormais la vie de l'acteur
Bradley Cooper. Fin 2010 débutera le tournage de Bridget Jones 3, film dans lequel Bridget voudra un enfant. Pour ce film, Renée Zellweger, qui ne veut plus prendre de kilos comme dans les films précédents, portera des prothèses. Le film devrait sortir début 2012.