Heather Graham est née le 29 janvier 1970 à Milwaukee dans le Wisconsin. Elle est la fille d'un ancien agent du FBI et d'une rédactrice de livres pour enfants, tous deux fervents catholiques et reçoit donc une éducation très stricte. Dès son plus jeune âge, elle se passionne pour le théâtre et s'entraîne dans le rôle de Dorothée dans Le Magicien d'Oz.
A sa sortie du lycée, Heather Graham s'inscrit à l'Université de Californie à Los Angeles et tente de décrocher quelques petits rôles au cinéma. On la voit alors dans Drugstore Cowboys de Gus Van Sant en 1989. Elle est ensuite remarquée par l'acteur James Woods avec lequel elle a une liaison et grâce auquel elle décroche un rôle dans Diggstown en 1992. Sa carrière prend alors un véritable envol et Heather obtient la même année, un rôle dans la série Twin Peaks. Le rôle qui la fait connaître reste néanmoins celui d'une star du porno des années 70 qu'elle interprète dans le film Boogie Nights, sorti en 1997. Elle se brouille alors avec ses parents à cause de certaines scènes de nu. Deux ans plus tard, elle est de nouveau en tête d'affiche dans le film Austin Powers.
En 1999, elle a une liaison avec l'acteur Heath Ledger, puis l'année suivante, elle est aperçue aux bras de Benicio Del Toro, alors qu'elle partage l'affiche du film From Hell avec Johnny Depp. En 2003, Heather Graham joue dans une production indépendante : The Guru et elle a une aventure avec Matthew Perry, l'acteur de la série Friends.
En 2006 Heather Graham intègre le prestigieux casting du film Bobby, aux cotés de Sharon Stone et Demi Moore.
La doublure
Le journal d'Anne Frank
Le guignolo
La vie d'artiste
Desperate Housewives