Nació el 22 de noviembre de 1984 en Nueva York. Su madre era productora de cine y su abuelo paterno guionista y director, por lo que el interés de Scarlett por el mundo del espectáculo era inevitable. Desde niña tomó clases de teatro y se preparó para ser una gran actriz.

Luego de presentarse en varios castings para anuncios publicitarios y con tan solo ocho años, la actriz consiguió su primer papel en teatro. A partir de allí, se adentró en el mundo del cine con varios personajes secundarios hasta alcanzar su primer protagónico en la película Manny & Lo, donde interpreta a Amanda, una niña huérfana. Luego llegaría el film The Street Lawyer, donde encarnó a Kate Amstrong, la hija del protagonista, Sean Connery. La película no logró tener éxito y, en consecuencia, Scarlett tardó en conseguir un nuevo papel para lucirse.

Hasta que en 1998 Robert Redford la eligió para que interpretara a Grace McLean, una niña que queda discapacitada tras caerse de un caballo, en el film The Horse Whisperer. Con este trabajo, Scarlett se consolidó como una actriz madura, dejando atrás la niña principiante.

El 2003 fue el año de la rubia, pues participó en dos éxitos cinematográficos que le permitieron proyectarse a nivel internacional. El primero fue Girl With A Pearl Earring, que trata sobre un famoso cuadro del pintor Johannes Vermeer. Su papel de Griet, fue aclamado por la crítica. El segundo fue Lost In Traslation de Sofia Coppola, una película independiente que coprotagonizó junto a Bill Murray y fue altamente alabada por la crítica.

Dos años después tuvo el privilegio de trabajar junto al reconocido director Woody Allen, en el film Match Point. Su gran actuación hizo que Allen la vuelva a convocar para participar de otros dos proyectos: Scoop y Vicky Cristina Barcelona.

Además, Scarlett incursionó en Broadway, cuando en 2009 quedó seleccionada para integrar el elenco del drama teatral A View From Bridge.

Este año se estrenó su última gran película, The Avengers, donde interpreta a la Viuda Negra, la supeheroína de Marvel. El film reúne a los superhéroes más conocidos de la marca y se ha consagrado como la película de mayor recaudación de las últimas décadas.