Après avoir effectué des études d'art dramatique à la Carnegie Mellon University, Holly Hunter fait un peu de théâtre à New York puis s'installe à Los Angeles pour y commencer sa carrière cinématographique. Après avoir joué dans Swing Shift de Jonathan Demme, elle obtient son premier grand rôle en 1987 dans le Arizona Junior de Joel et Ethan Coen, où elle campe une femme policier kidnappeuse d'enfant au côté de Nicolas Cage.

Holly Hunter campe ensuite une productrice télé dans Broadcast News, 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.

La Leçon de piano marque un vrai tournant dans la carrière d'Holly Hunter qui s'illustre ensuite avec les plus grands. On la voit à l'afiche de La Firme (1993), au côté de Tom Cruise, jouer une détective au secours de Sigourney Weaver dans Copycat (1995) ou jouer sous la direction de Jodie Foster dans Week-end en famille (1995).

Holly Hunter surprend régulièrement, s'illustrant dans le troublant et dérangeant Crash (1996) de David Cronenberg, incarnant un ange dans Une vie moins ordinaire (1997) ou participant à l'expérience visuelle du Time Code (2000) de Mike Figgis, divisé sur quatre écrans. Après avoir retrouvé les frères Coen pour O'Brother, elle s'illustre en 2003 dans le drame Thirteen et fait face à Billy Bob Thornton dans Levity.