Fille d'un directeur d'hôtel vadrouilleur, Carey Mulligan naît à Londres en 1985 mais passe sa petite enfance en Allemagne. De cette période date ses premières émotions de comédienne : à six ans, elle monte sur les planches pour la première fois à l'occasion d'une comédie musicale proposée par son école. De retour dans la capitale anglaise à 8 ans, c'est à la Woldingham School qu'elle apprend l'art de la scène et renforce sa passion.

Grâce à son culot - elle écrit directement à la directrice de casting sans véritable référence - la jeune fille décroche ses premiers galons de comédienne avec un petit rôle dans Orgueil et préjugés (2005) de Joe Wright, à seulement 18 ans. Elle se fait davantage repérer trois ans plus tard grâce à l'adaptation de La Mouette de Tchekhov, dans laquelle elle partage la scène aux côtés de Kristin Scott Thomas et Peter Sarsgaard. Les trois années qui suivent offrent à la comédienne l'occasion de se perfectionner lors de diverses apparitions à la télévision que lui permettent notamment les séries The Amazing Mrs Pritchard et Doctor Who.

Mais la carrière de Carey Mulligan décolle en 2009 lorsqu'elle donne successivement la réplique à Johnny Depp dans le polar du maître Michael Mann, Public Enemies puis à Natalie Portman dans le drame familial Brothers, sous la direction de Jim Sheridan. L'année suivante, elle se fait réellement connaître du grand public avec le rôle-titre d'Une éducation, où son interprétation émouvante est auréolée de la récompense de meilleure actrice aux BAFTA et d'une nomination aux Oscars. Elle retrouve pour l'occasion Peter Sarsgaard.

L'actrice poursuit ensuite sa carrière dans une grosse production, Wall Street : l'argent ne dort jamais d'Oliver Stone, où elle côtoie Michael Douglas et Shia LaBeouf. Six ans après Orgueil et préjugés, elle retrouve Keira Knightley dans Never Let Me Go où elle incarne une jeune fille amoureuse confrontée à une terrible réalité. Amoureuse, elle l'est aussi dans le très encensé Drive avec Ryan Gosling qui lui fait tourner la tête.

Sa carrière semble désormais bel et bien lancée puisqu'on la retrouve au casting de Shame (Steve McQueen (II)), évoquant la thématique de l'addiction sexuelle à travers le personnage campé par Michael Fassbender, de Gatsby le Magnifique, dans lequel elle tient la tête d'affiche aux côtés de Leonardo DiCaprio, ainsi que de Inside Llewyn Davis de Ethan et Joel Coen avec Oscar Isaac et Justin Timberlake.

Après deux ans d'absence au cinéma, Carey Mulligan revient sur le grand écran en 2015 avec Les Suffragettes réalisé par Sarah Gavron. Dans le long métrage retraçant l'histoire vraie de militantes britanniques revendiquant le droit de vote dans une Angleterre conservatrice, l'actrice joue aux côtés de Meryl Streep et Helena Bonham Carter.

Moins présente sur les écrans durant la deuxième partie des années 2010 (même si elle livre une prestation saisissante en inspectrice de police obstinée dans la mini-série Collateral en 2018), la native de Londres revient en force en 2020. Elle joue ainsi l'héroïne séduisante et calculatrice du primé Promising Young Woman (pour lequel elle concourt à l'Oscar de la Meilleure actrice), mais aussi une veuve dont la propriété abrite un fabuleux trésor du Moyen-Age dans The Dig.