D'origine britannique, Lena Headey est diplômée de l'English Rose School of Acting. Elle débute sa carrière en 1992 dans le film Waterland de Stephen Gyllenhaal, où elle incarne l'épouse de Jeremy Irons. Deux ans plus tard, elle tient le rôle de Katherine dans l'adaptation cinématographique du Le Livre de la jungle. La même année, l'actrice partage l'affiche avec Anthony Hopkins et Emma Thompson dans le drame de James Ivory, Les Vestiges du jour.

A raison d'un à deux films par an, Lena Headey cumule les rôles, avec une préférence toute particulière pour les thrillers, comme Fausses rumeurs, où elle joue aux côtés de Joshua Jackson et de Kate Hudson ou encore Ripley's game, avec John Malkovich. En 2002, elle donne la réplique à Gwyneth Paltrow et Aaron Eckhart dans Possession, de Neil LaBute.

Trois ans plus tard, l'actrice explore un nouveau genre, celui de l'aventure dans le film de Terry Gilliam Les Frères Grimm, où elle accompagne Matt Damon et Heath Ledger dans leur chasses aux démons. En 2007, l'actrice change totalement d'univers et participe au tournage du très controversé 300 de Zack Snyder où elle interprète la reine Gorgo, la femme du roi Leonidas (Gerard Butler). L'année suivante, Lena Headey se partage entre le grand et le petit écran, puisqu'elle tient le rôle-titre de la série Sarah Connor, adapté du film Terminator, et est à l'affiche du film de Sean Ellis, The Broken. Ce long métrage marque le premier grand rôle de l'actrice au cinéma.

En 2011, c'est la consécration : HBO lance la série Game of Thrones, qui devient un véritable phénomène. Lena Headey y incarne Cersei Lannister, héroïne manipulatrice et partie prenante des jeux de pouvoir qui caractérisent les intrigues complexes de ce show adapté d'une saga littéraire encore inachevée. On la retrouve, parallèlement, dans le lucratif thriller American Nightmare aux côtés d'Ethan Hawke, ainsi que dans le film fantastique pour adolescents The Mortal Instruments et le violent 300 : La naissance d'un Empire.