Cardelliniová sa narodila v Redwood City, v Kalifornii. Je najmladšou zo štyroch detí a je talianskeho, írskeho, nemeckého a škótskeho pôvodu. Bola vychovaná v katolíckej viere. Jej prvé verejné vystúpenie mala ako desaťročná keď spievala v školskej hre. Následne pôsobila v niekoľkých školských inscenáciách a začala navštevovať hodiny drámy.
Kariéra
Svoju hereckú kariéru zahájila v roku 1996. Zo začiatkov sa objavovala v menších rolách v televíznych seriáloch. Prielom v jej kariére nastal v roku 1999 v televíznom seriály Freaks and Geeks. Jej herecký výkon získal pozitívne ohlasy.
V roku 2002 stvárnila kreslenú postavu Velmu Dinkley v dobrodružnej adaptácii Scooby Doo. Postavu Velmy si zopakovala aj v roku 2004, v druhej časti s názvom Scooby-Doo 2: Nespútané príšery. V roku 2003 sa pripojila k obsadeniu dramatického seriálu Pohotovosť. Cardellinová hrala v seriály až do jeho záverečnej časti.
V roku 2013, získala postavu Sylvia Rosen, v televíznom seriáli Mad Men. Za svoj herecký výkon v Mad Men, získala nomináciu na Primetime Emmy Award za vynikajúcu hosťujúcu herečku v dramatickom seriáli. Od roku 2015 sa pripojila k hereckému obsadeniu televízneho seriálu Bloodline. V rovnakom roku stvárnila jednu z vedľajších postav vo filme Avengers 2: Vek Ultrona. Postavu Laury Barton si zopakovala aj v roku 2019, vo filme Avengers: Endgame.
V roku 2018 stvárnila vedľajšiu postavu v trilery A Simple Favor. V auguste rovnakého roku, potvrdila Cardelliniová účasť v televíznom seriály Dead to Me, kde účinkuje po boku herečky Christiny Applegatovej. Televízny seriál mal premiéru 3. mája2019. Cardelliniová za svoj herecký výkon, získala kritické uznanie a nomináciu na Primetime Emmy Award za vynikajúcu hlavnú herečku v komediálnom seriáli. V roku 2019 stvárnila postavu Anny v mysterióznom filme The Curse of La Llorona. V roku 2020 stvárnila postavu Mae Capone, v životopisnom filme Capone, po boku hercov ako Tom Hardy a Kyle MacLachlan.
Súkromný život
Cardelliniová sa počas natáčania televízneho seriálu Freaks and Geeks, spoznala s hercom Jasonom Segelom, s ktorým chodila päť rokov. Od roku 2009 chodí so Stevenom Rodriguezom, ktorému vo februári 2012 porodila dcéru.