Carla Neill Gugino nasceu em 29 de agosto de 1971 em Sarasota, Flórida, filho de Carl Gugino, um ortodontista de ascendência italiana,[1] e Susan Gugino, de ascendência inglesa e irlandesa,[3] descrita como " boêmia ".[4] Depois que seus pais se separaram quando ela tinha dois anos, ela viajou entre a casa de seu pai em Sarasota e seu meio-irmão Carl Jr., e a casa de sua mãe em Paradise, Califórnia.[5]
Ela disse sobre sua criação: "Eu morava em uma tenda no norte da Califórnia e uma van em Big Sur. Com meu pai, eu morava em uma linda casa com piscina e quadra de tênis e ia para a Europa nos verões.[4] Então eu sinto que vivi duas infâncias." Ela trabalhou como modelo adolescente e teve aulas de atuação por sugestão de sua tia, a ex- modelo porta-voz do Let's Make a Deal , Carol Merrill. Ela acabou se sustentando e, com a aprovação de seus pais, foi legalmente emancipada aos 16 anos.[1]
Em 1995, Gugino apareceu como Nan St. George (mais tarde a Duquesa de Trevenick) com Greg Wise e James Frain na minissérie da BBC The Buccaneers, uma adaptação do último romance de Edith Wharton. Ela interpretou Ashley Schaeffer, o interesse amoroso do personagem de Michael J. Fox, durante a primeira temporada do seriado Spin City em 1996. Ela atuou ao lado de Nicolas Cage em Snake Eyes, de Brian De Palma, e em Judas Kiss, que ela também coproduziu. Ela apareceu como Dra. Gina Simon durante a temporada final do drama médico de televisão Chicago Hope (1999–2000).
Em 2001, ela apareceu como a matriarca da família Ingrid Cortez no primeiro filme Spy Kids (assim como nas duas sequências do filme em 2002 e 2003). No mesmo ano, ela apareceu como o interesse amoroso de Jet Li no thriller de ação e artes marciais The One. Ela estrelou duas séries de TV de curta duração: o drama policial de Elmore Leonard da ABC, Karen Sisco, em 2003, e a série de ficção científica Threshold da CBS, em 2005. No mesmo ano, Gugino apareceu como Lucille na adaptação para o cinema da graphic novel de Frank Miller, Sin City. No ano seguinte, ela apareceu no filme Night at the Museum como o interesse amoroso de Ben Stiller.
Em 2009, Gugino estrelou como Abby em Desire Under the Elms, de Eugene O'Neill, no Goodman Theater em Chicago, Illinois, pelo qual foi aclamada pela critica e publico. Durante os primeiros três meses de 2009, três longas-metragens estrearam com Gugino: o suspense The Unborn, o filme Watchmen, no qual ela interpretou Sally Jupiter, e o remake de aventura Race to Witch Mountain, no qual ela estrelou ao lado de Dwayne Johnson.[10] Em abril daquele ano, ela recebeu uma indicação ao Outer Critics Circle Award de Melhor Atriz em uma Peça por sua atuação em Desire Under the Elms.[11] Mais tarde, em novembro daquele ano, ela interpretou uma atriz de filmes adultos no filme de comédia Mulheres em Apuros, que gerou uma sequência em 2010, Elektra Luxx, que leva o nome de sua personagem.
Em 2011, Gugino apareceu como Madame Vera Gorsky no filme de ação e fantasia de Zack Snyder, Sucker Punch, ao lado de Abbie Cornish e Emily Browning. Gugino cantou um dueto com o co-estrela Oscar Isaac, que apareceu nos créditos finais e na trilha sonora do filme. Ela também estrelou como convidada na quarta temporada de Californication como Abby Rhodes, advogada e interesse amoroso de Hank Moody. Em 2012, Gugino teve um papel principal como Susan Berg, uma repórter investigativa de Washington, DC, na minissérie Political Animals da USA Network. Em 2015, ela teve um papel principal no filme-catástrofe San Andreas, no qual ela mais uma vez estrelou ao lado de Dwayne Johnson.