Après quelques années de mannequinat, la jeune Vinessa Shaw se lance dans le métier de comédienne. En 1992, elle apparaît au générique de la comédie sportive Ladybugs, sa première expérience cinématographique. Elle tourne ensuite dans Les Trois sorcières, I Love L.A. ou encore Wayward Son mais il faut attendre 1999 et son rôle de jeune prostituée charmant Tom Cruise dans le Eyes Wide Shut de Stanley Kubrick pour que le public la découvre véritablement.

Dès lors, Vinessa Shaw est de plus en plus courtisée et s'attache à varier les plaisirs. On peut ainsi voir la belle californienne s'illustrer aussi bien dans un film policier (Le Poids de l'eau de Kathryn Bigelow) que dans des comédies (du potache 40 jours et 40 nuits au plus distingué Melinda et Melinda de Woody Allen). En 2006, la jeune femme est confrontée à l'horreur de La Colline a des yeux, le remake du classique de Wes Craven réalisé par le Français Alexandre Aja.

Après avoir succombé au charme de Russell Crowe dans le western 3h10 pour Yuma, Vinessa Shaw est à l'affiche du drame Two Lovers de James Gray. Elle y incarne l'une des deux femmes (avec Gwyneth Paltrow) qui font battre le coeur de Joaquin Phoenix. L'actrice enchaîne les rôles dans des films très variés, du drame (Garden Party), au thriller (Effets secondaires) en passant par le film familial "écolo" (Miracle en Alaska) et le film d’horreur (Come out and play).

Après plusieurs apparitions spontanées dans des séries télévisées, Vinessa Shaw obtient en 2012 le rôle récurrent de Laura Savino dans la saison 1 de Vegas. En 2014, elle intègre le casting de la saison 2 de Ray Donovan dans laquelle elle incarne Kate McPherson, journaliste bostonienne tenace. Adepte du genre, on retrouve la jeune femme dans deux thrillers : Cold in July (2014), dans lequel elle interprète la femme de Michael C. Hall, entraîné malgré lui dans un cercle de violence et After the fall (2015) aux côtés de Wes Bentley.