Figlia d'arte (i genitori sono gli attori Bruce Dern e Diane Ladd), Laura Elizabeth entra inevitabilmente nel mondo dell'entertainment sin da bambina. Suo padre però, quando lei ha due anni, chiede il divorzio e se ne va di casa. La madre la cresce e le fa avere piccole parti nei suoi film, tra cui Alice non abita più qui (1974). Qualche anno dopo gira A donne con gli amici (1980), esordio alla regia di Adrian Lyne, e quando riceve un'offerta per interpretare una musicista teenager in Ladies and Gentleman, the Fabulous Stains, la madre glielo impedisce ritenendola a 13 anni troppo giovane per quel ruolo. Laura Dern chiede l'intervento del tribunale, ottiene l'emancipazione minorile e gira lo stesso il film. Due anni più tardi è una studentessa che intrattiene una relazione con il suo insegnante in Teachers (1984).
Il 1985 è l'anno in cui conquista una grande credibilità come attrice grazie al ruolo di una ragazza cieca in Dietro la maschera e a quello di una teenager dallo spirito libero che incontra un uomo misterioso in La prima volta. L'anno seguente David Lynch le offre una parte in Velluto Blu, ma è nel 1990 che il regista le regala un memorabile personaggio in un memorabile e bizzarro film, Cuore selvaggio. Nel cast c'è anche la madre Diane Ladd con la quale recita insieme anche in Rosa scompiglio e i suoi amanti (1991) che frutta ad entrambe una nomination agli Oscar. Laura Dern continua a dar vita a personaggi in film importanti, spesso in piccole opere con forti contenuti come Cielo d'ottobre (1999), Mi chiamo Sam (2001) e I giochi dei grandi (2004), o in blockbuster di largo successo come Jurassic Park (1993) e Jurassic Park III (2001).
A metà degli anni 2000 torna a lavorare con David Lynch in Inland Empire (2006) e vince un Golden Globe per il TV movie Recount (2008) diretto da Jay Roach. Il premio si affianca al primo Golden Globe, ottenuto nella stessa categoria nel 1993 per il film TV Afterburn, e al terzo che arriva nel 2011 grazie alla serie TV Enlightened in cui interpreta una donna che cerca di risollevarsi dopo una crisi di nervi sul lavoro. Nella serie, che dura due stagioni, recita nuovamente accanto alla madre che interpreta la madre del suo personaggio. Il 2014 si rivela essere una buona annata per Laura Dern, grazie all'ingresso nel cast di Colpa delle stelle, tratto dal best seller omonimo, al personaggio interpretato in 99 Homes, dramma con Andrew Garfield presentato al Festival di Roma, e al significativo ruolo non protagonista in Wild che le permette di ottenere la seconda nomination agli Oscar.