Née à New York, Brooke Adams évolue très tôt dans le milieu du cinéma et de la télévision avec une mère actrice et un père (Robert K. Adams) producteur, acteur et ancien président de la chaîne CBS. Elle apparaît pour la première fois sur les planches à seulement six ans avant de s'adonner au théâtre et à la danse, en étudiant à la prestigieuse École des Arts de la scène et au Ballet Américain de New York. La demoiselle fait alors ses premiers pas à la télévision à seize ans dans les mini-séries East Side/West Side (1963) puis dans O.K. Crackerby! (1965), avant de donner la réplique à Richard Chamberlain et Susan Sarandon dans le téléfilm F. Scott Fitzgerald and 'The Last of the Belles' (1974). Après quelques essais infructeux, elle décroche son premier rôle au cinéma dans le film d'horreur Le Commando des morts-vivants (1977) où elle doit faire face à une armée de zombies sous les ordres d'un commandant SS diabolique.
Brooke Adams est propulsée sur le devant de la scène en 1978 grâce à sa performance saluée par la critique dans Les Moissons du ciel de Terrence Malick, où elle interprète Abby, une jeune femme déchirée entre son amour pour Richard Gere et Sam Shepard, dans la campagne du Texas au début du 20ème siècle. Revenant aux films d'horreur, elle fait face à des plantes extra-terrestres qui menacent l'humanité, dans le remake L' Invasion des profanateurs (1978), avant de participer à un programme in vitro expérimental douteux dans The Unborn (1991).
Poursuivant ses choix éclectiques, Brooke Adams joue aux côtés de Sean Connery dans le film épique Cuba (1979) avant s'illustrer dans Dead Zone (1983), le drame fantastique de David Cronenberg. Pendant cette période faste, elle tient également les premiers rôles dans la comédie Key Exchange (1985) et le thriller Man on Fire (1987) d'Elie Chouraqui. Dans Gas food lodging (1992), son rôle de mère célibataire élevant seule ses deux filles dans une petite bourgade du Nouveau-Mexique, lui permet de toucher à un registre plus dramatique.
En 1995, l'actrice américaine arrête temporairement sa carrière pour se consacrer davantage à sa famille. Après quelques rares apparitions à la télévision et au cinéma, elle fait un retour remarqué en 2002 dans la comédie dramatique Made-Up, écrite par sa soeur Lynne Adams et réalisée par son mari, Tony Shalhoub. Son interprétation fait l'unanimité auprès de la presse. En 2005, Brooke Adams est à l'affiche des drames At Last et The Legend of Lucy Keyes où, tourmentée par le fantôme d'une petite fille disparue mystérieusement 250 ans plus tôt, elle tente de percer les secrets des précédents occupants de sa maison. Se consacrant ensuite davantage à la scène, la comédienne monte sur les planches à Broadway dans The Cherry Orchard et Lend Me a Tenor. Elle apparait également comme guest-star dans plusieurs épisodes de la série policière Monk, où son mari tient le rôle-titre.