Biographie :
Elle est révélée par le rôle de Lindsay Weir dans la série éphémère Freaks and Geeks (1999-2000). Mais elle confirme surtout cette percée sur le petit écran grâce au rôle de Samantha Taggart dans la série médicale à succès Urgences (2003-2009). Cette notoriété lui permet de décrocher le rôle de Vera Dinkley dans les films Scooby-Doo (2002-2004) et de jouer dans des films tels que LolliLove (2004), Le Secret de Brokeback Mountain (2005), American Gun (2005), Grandma's Boy (2006) et The Lazarus Project (2008).
Elle participe à quelques séries d'animation et fait son retour avec le rôle de Sylvia Rosen, la voisine de Don Draper, dans la série dramatique Mad Men (2013-2015), ce qui lui vaut une proposition pour le Primetime Emmy Award de la meilleure actrice invitée dans une série télévisée dramatique, puis, porte la série thriller Bloodline (2015-2017) dans le rôle de Meg Rayburn. Elle est aussi à l'affiche de la comédie noire de Netflix, Dead to Me (2019-2022) aux côtés de Christina Applegate.
D'origine italienne, irlandaise, allemande et écossaise, Linda Cardellini, née à Redwood City, en Californie, est la fille de Lorraine (née Herman), femme au foyer et de Wayne David Cardellini, homme d'affaires.
Elle est la plus jeune des quatre enfants du couple. Elle a été élevée dans la religion catholique.
Elle fréquente l'Université Loyola Marymount aux côtés de Colin Hanks et Busy Philipps. Elle en ressort diplômée en arts du théâtre en 1997. En 2007, elle a été reconnue comme une « ancienne élève distinguée » par l'université.
Elle a été en couple avec l'acteur Jason Segel qu'elle a rencontré d'abord sur le tournage d’Un cadavre sur le campus, puis ils se sont retrouvés sur le tournage de Freaks and Geeks, où ils étaient les acteurs principaux, mais se sont séparés. Ce dernier a écrit le scénario du film Sans Sarah, rien ne va !, dans lequel il joue, qui est inspiré de cette rupture.
Depuis 2009, elle est en couple avec Steve Rodriguez. Ils deviennent parents d'une fille nommée Lilah-Rose en février 2012.
Elle apprécie la peinture, particulièrement celle de Margaret Keane, et pratique les arts martiaux.