Abbie Cornish débute une carrière de mannequin à 13 ans. Très vite, elle est remarquée par la télévision australienne et obtient à quinze ans un rôle récurrent dans les séries Wildside puis Outriders. C'est aussi dans son Australie natale qu'elle connaît ses premiers rôles au cinéma, notamment dans Cercle intime (2000) et surtout Somersault (2004) et Candy (2006) dont elle tient les premiers rôles (respectivement aux côtés de Sam Worthington et Heath Ledger).

En 2006, Abbie Cornish franchit un cap en jouant sous la direction de Ridley Scott dans Une grande année, qui la voit donner la réplique à Russell Crowe. Elle figure ensuite au casting d'Elizabeth : l'âge d'or. Mais c’est en 2009 qu’elle se fait connaître du grand public en tenant la vedette de Bright Star de Jane Campion, présenté au Festival de Cannes. Dans ce drame historique, elle vit une histoire d'amour passionnée avec le poète britannique John Keats.

Elle prend ensuite le contrepied de ce rôle délicat en enchaînant deux collaborations avec le jeune et talentueux Zack Snyder, en prêtant tout d'abord sa voix à une chouette revêche dans Le Royaume de Ga'Hoole (2010), avant de camper l'une des « hit girls » sexy du survolté Sucker Punch en 2011. Une année prolifique pour elle puisqu’elle joue aussi dans Limitless où elle donne la réplique à Bradley Cooper et Robert De Niro avant de jouer dans le deuxième film de Madonna, W.E..

Femme de RoboCop dans le remake du film culte de Paul Verhoeven, la belle Australienne prend aussi part à deux thrillers : Prémonitions et Lavender. En 2017, elle côtoie Jamie Bell et Mark Strong dans 6 Days, un film basé sur la prise d'otages à l'Ambassade d'Iran de Londres en 1980. Elle reste ensuite dans la thématique terroriste via la série Jack Ryan produite par Michael Bay et portée par John Krasinski dans le rôle-titre.