Née d'un père fermier et d'une mère femme au foyer, Holly Hunter s'oriente dès ses études vers le monde du spectacle. Elle suit un cursus d'art dramatique à la Carnegie Mellon University et s'essaye au théâtre à New York, avant de s'installer à Los Angeles pour y entamer sa carrière cinématographique. Après quelques petits rôles (dans le film d'horreur Carnage et le téléfilm La vie secrète d'une étudiante), elle tourne avec son premier grand réalisateur (Jonathan Demme), dans Swing Shift (1984).

Il lui faut attendre 1987 pour décrocher son premier grand rôle, celui d'une femme policier kidnappeuse dans Arizona Junior. Avec son camarade de jeu Nicolas Cage, elle partage l'affiche de ce qui s'avère être le deuxième film des frères Joel et Ethan Coen. Holly Hunter campe ensuite une productrice télé dans Broadcast News (1987), participe à un concours de beauté dans la comédie Miss Firecracker et tient la vedette de la romance Always, réalisée par Steven Spielberg. Mais c'est en 1993 que l'Américaine connaît la consécration avec La Leçon de piano de Jane Campion, qui lui vaut le Prix d'interprétation féminine à Cannes ainsi que l'Oscar de la Meilleure actrice.

La Leçon de piano marque un vrai tournant dans la carrière d'Holly Hunter qui s'illustre ensuite aux côtés des plus grands. Dans La Firme (1993) elle croise la route de Tom Cruise et reçoit au passage une nouvelle nomination aux Oscars (Meilleure actrice dans un second rôle). On la retrouve en détective portant secours à Sigourney Weaver dans Copycat (1995) ou sous la direction de Jodie Foster dans Week-end en famille (1995).

Holly Hunter surprend régulièrement, d'abord dans le troublant et dérangeant Crash (1996) de David Cronenberg, incarnant un ange dans Une vie moins ordinaire (1997) ou en participant à l'expérience visuelle du Time Code (2000) de Mike Figgis, un film où l'image est divisée sur quatre écrans. Après avoir retrouvé les frères Coen pour O'Brother, elle produit et participe au drame Thirteen (2003) et fait face à un Billy Bob Thornton sorti de prison dans Levity (2003). Avec la naissance de ses jumeaux en 2006, Holly Hunter disparait du grand écran et ce pendant une longue période. Son dernier rôle notable est vocal, puisqu'elle double l'héroïne du super-héroïque Indestructibles des studios Pixar. Le temps de trois saisons (2007 - 2010), l'actrice devient ensuite le personnage principal de Saving Grace, une série policière dramatique.

Holly Hunter profite de l'arrêt de la série pour faire son retour au cinéma en participant tout d'abord à des films indépendants tels que Jackie de la réalisatrice hollandaise Antoinette Beumer ou Learning to fly de Daniel Barnz. N'abandonnant pas pour autant le petit écran, elle apparaît dans la mini-série Top of the Lake et dans Bonnie et Clyde, nouvelle réécriture de l'histoire du célèbre couple de hors la loi dans laquelle elle incarne Emma Parker. Ses prochains rôles au cinéma lui permettent de toucher un plus large public puisqu'elle tient le premier rôle féminin face à Al Pacino dans le nouveau film de David Gordon Green, Manglehorn. La comédienne est également annoncée dans le mystérieux Weightless de Terrence Malick ainsi que dans le très attendu Batman V Superman de Zack Snyder.