Il cognome è quello della madre Marzena di origine polacca. Mia Wasikowska cresce in Australia con una sorella più grande e un fratello più piccolo. I genitori, entrambi fotografi, la avvicinano all'età di nove anni alla danza classica. La bambina si sottopone a ritmi molto sostenuti, imparando a danzare en pointe con un allenamento quotidiano dalla fine della scuola fino alle 21. A quattordici anni lascia la danza, riconoscendo successivamente che quegli insegnamenti le sarebbero stati utili per gestire meglio i suoi nervi durante le audizioni. L'interesse per la recitazione arriva quando vede la performance di Holly Hunter in Lezioni di piano. Nonostante non abbia alcuna esperienza, non si fa mancare il coraggio di scrivere a tutte le agenzie di casting australiane che trova su internet. Solo una risponde e Mia Wasikowska ottiene il suo primo colloquio.
Il debutto arriva poco più tardi con una partecipazione a due episodi del medical drama All Saints. Subito dopo arriva l'esordio al cinema con una piccola parte nel film Suburban Mayhem (2006) che va al Festival di Cannes nella sezione Un Certain Regard. L'attrice riceve anche una nomination come miglior attrice emergente agli AFI Awards e questo inizia ad aprirle altre porte nel cinema australiano. Nel 2007 recita nell'horror Rogue e nel dramma September, prima di ricevere una grande opportunità professionale. A diciassette anni ottiene un ruolo di rilievo nella serie TV americana In Treatment, per il quale lascia la scuola trasferendosi a Los Angeles per tre mesi, ma continuando a seguire gli studi online. Riceve un gran numero di complimenti tanto per l'intensità dell'interpretazione, quanto per l'impeccabile accento americano che sfodera senza problemi. Seguono a ruota le prime parti nel cinema statunitense nei film Defiance e Amelia.
Dopo una lunga ricerca, nel 2009 Tim Burton sceglie proprio lei tra centinaia di giovani attrici per dare il volto alla famosa bambina della letteratura che entra in un paese di meraviglie. Alice in Wonderland, anche grazie all'enorme successo di pubblico, rappresenta il lancio artistico per la carriera di Mia Wasikowska che questo momento può considerarsi un'attrice di serie A. Successivamente sceglie un ruolo ostico, per dimostrare anche di quale stoffa sia fatta, interpretando la figlia della coppia lesbica Annette Bening-Julianne Moore nel film I ragazzi stanno bene. La sua maturazione è inarrestabile grazie alla qualità dei film che la vedono co-protagonista. Gira Jane Eyre (2011), Albert Nobbs (2011) e Lawless (2012). Nel 2013 è protagonista assoluta di Tracks - Attraverso il deserto in cui interpreta la scrittrice australiana Robyn Davidson che nel 1977 intraprese una camminata in solitaria di 2700 km.
Anche il cinema d'autore non tarda ad arrivare. Prima è diretta da Jim Jarmusch in Solo gli amanti sopravvivono, poi da David Cronenberg in Maps to the Stars. Nel mezzo ci sono l'horror Stoker e il film sperimentale The Double. Sostituisce Emma Stone nell'horror di Guillermo Del Toro intitolato Crimson Peak prima di tornare nel paese delle meraviglie in Alice attraverso lo specchio, non più diretto da Tim Burton ma da James Bobin. È in fase di postproduzione il suo nuovo film, il thriller di guerra HHhH.