Urodziła się 12 grudnia 1970 jako córka Gerarda, przedsiębiorcy odzieżowego, i właścicielki sklepu z antykami Eileen. Rodzice matki byli Żydami pochodzącymi z Polski i Rosji[4].
Connelly dorastała w Brooklyn Heights, uczęszczała do St. Ann’s School. Następne 4 lata mieszkała z rodziną w Woodstock. Karierę rozpoczęła w wieku 10 lat, pozując do zdjęć w gazetach i czasopismach, a następnie występując w reklamach telewizyjnych. Po ukończeniu szkoły zaczęła studiować angielską literaturę na Uniwersytecie Yale. Pod dwóch latach przeniosła się na Uniwersytet Stanforda, w którym studiowała aktorstwo[5].
W 2003 roku, na jubileuszowej 75. ceremonii rozdania Oscarów, pojawiła się na scenie w specjalnej, uroczystej prezentacji aktorów – wszystkich dotychczasowych laureatów Oscara. W tym samym roku wystąpiła w filmie pt. Hulk (reż. Ang Lee) jako Betty Ross[9]. Za rolę została nominowana do nagordy Saturna dla najlepszej aktorki, lecz ostatecznie laureatką została Uma Thurman[10].
W kwietniu 2022 odbyła się premiera filmu z jej udziałem pt. Top Gun: Maverick, w którym zagrała Penelope „Penny” Benjamin[11]. Film stał się hitem kasowym, zarabiając 1,5 mld USD, przy budżecie wynoszącym 170 mln USD[12][13].
Życie prywatne
Od 1991 do 1996 spotykała się z Billym Campbellem[14]. Później Connelly była w związku z fotografem Davidem Duganem, z którym ma syna Kaia (ur. 1997)[15].
1 stycznia 2003 wzięła ślub z brytyjskim aktorem Paulem Bettanym, którego poznała przy pracy nad filmem Piękny umysł. Mają syna Stellana (ur. 2003) i córkę Agnes (ur. 2011)[16].