Kristin Scott Thomas est à peine âgée de 3 ans lorsque son père, pilote de la Bristish Royal Navy, décède dans un accident d'avion. Sept ans plus tard, c'est au tour de son beau-père, également militaire, de trouver la mort dans des circonstances similaires. Marquée par ces deux événements tragiques, elle quitte la Grande-Bretagne et son Dorset natal pour s'installer en France en tant que jeune fille au pair. Sa formation (Central School of Speech and Drama, Ecole Nationale des Arts et Techniques du théâtre de Paris) et son bilinguisme la prédestinent à une carrière internationale. Ainsi, après quelques apparitions dans des séries télévisées comme L'Amour en héritage, elle débute en 1986 au cinéma dans Under The Cherry Moon, un film mis en scène et interprété par Prince.

En France, elle tourne pour Jean-Pierre Mocky (Agent trouble, 1987), Pierre Jolivet (Force majeure, 1989) ou Marie-France Pisier (Le Bal du gouverneur, 1990). Egalement présente au casting de Lunes de fiel (1992) de Roman Polanski, Kristin Scott Thomas accède à la célébrité en jouant dans la comédie romantique Quatre mariages et un enterrement (1994). Son charme rétro et son élégance typiquement british en font une héroïne dramatique idéale pour fresques et films d'époque comme Des anges et des insectes (1995), Richard III (1996) et Le Patient anglais, long métrage d'Anthony Minghella pour lequel elle décroche une nomination aux Oscars en 1997.

Dès lors, Kristin Scott Thomas collectionne les partenaires de prestige : Tom Cruise dans Mission : Impossible (1996), Robert Redford dans L'Homme qui murmurait à l'oreille des chevaux (1998), Harrison Ford dans L'Ombre d'un doute (1999) ou encore Sean Penn dans Il suffit d'une nuit (2000). Souvent cantonnée à un registre classique (Gosford Park, Man to Man, Deux soeurs pour un roi), elle trouve l'un de ses rôles les plus émouvants dans le drame familial Il y a longtemps que je t'aime (2008). La comédienne tente également quelques incursions dans un cinéma plus populaire comme le prouvent ses prestations dans Arsène Lupin (2004), où elle campe l'ensorcelante comtesse de Cagliostro, les comédies La Doublure (2006) et Seuls Two (2008) ainsi que l'adaptation de la BD Largo Winch (id.).

Partageant toujours sa carrière entre la France, l'Angleterre et les Etats-Unis, mais aussi le drame et la comédie, elle fait une apparition remarquée en sosie de la prêtresse de la mode Anna Wintour dans la comédie Confessions d'une accro du shopping (2009), avant de s'abandonner à une histoire d'amour passionnelle dans les bras de Sergi López, et sous la direction de Catherine Corsini, dans Partir (rôle pour lequel elle est nommée pour le César de la Meilleure actrice). Egalement en 2009, elle campe une aristocrate anglaise des années 30 qui ne supporte pas sa belle-fille américaine (Jessica Biel) dans la comédie Un mariage de rêve de Stephan Elliott. Pour l'occasion, elle retrouve Colin Firth qui incarne son mari, comme il le faisait déjà dans Le Patient anglais.

En 2010, on la retrouve en femme de pouvoir et d'influence face à Ludivine Sagnier dans Crime d'amour, le dernier film d'Alain Corneau, puis en femme qui cherche à tout prix à découvrir la vérité dans le poignant Elle s'appelait Sarah, et enfin en tante qui élève John Lennon dans Nowhere Boy. Après avoir été séquestrée dans Contre toi (2011) et femme fatale dans La Femme du Vème (id.), l'année 2012 est à nouveau autant chargée que variée pour Kristin Scott Thomas : elle est d'abord conseillère du Premier Ministre britannique dans Des saumons dans le désert puis maîtresse de Robert Pattinson dans Bel Ami, avant de rejoindre deux réalisateurs français des plus brillants et singuliers, Pascal Bonitzer (Cherchez Hortense) et François Ozon (Dans la maison).