両親の友人の勧めでモデルになる。コマーシャルや雑誌の仕事を経て、1982年にテレビドラマ『Tales of the Unexpected』の「The Girl」の回に出演して女優デビュー。 そして1984年に『ワンス・アポン・ア・タイム・イン・アメリカ』でヒロインの子供時代役を得て映画デビューを飾った。 1985年の『フェノミナ』で特に日本ではポストブルック・シールズとして注目され、数社のコマーシャルに起用、日本語でのレコード発売、映画雑誌の表紙を飾るなどしてアイドル的な人気を得た。その後はやや低迷し、『ホット・スポット』を皮切りに計7つの映画でヌードを披露した。2000年の『レクイエム・フォー・ドリーム』の演技が評判を呼び、インディペンデント・スピリット賞助演女優賞にノミネートされた。ついで2001年公開の『ビューティフル・マインド』でアカデミー助演女優賞・ゴールデングローブ賞 助演女優賞・英国アカデミー賞 助演女優賞 ・第7回放送映画批評家協会賞 助演女優賞・アメリカ映画協会賞年間最優秀女優賞を獲得し、演技派女優として認められるようになる。2005年には『仄暗い水の底から』のリメイク『ダーク・ウォーター』に主演。俳優以外の活動では、バレンシアガやレブロンの広告塔を務めている。2005年にアムネスティ・インターナショナルUSAの人権教育大使に任命される。ピープル誌などの「世界で最も美しい50人」に選ばれたこともある。
ニューヨーク州出身。当時、父親のジェラルド・コネリーはジュニア向けのファッションデザイナー、母親のアイリーン・コネリーはアンティーク品のディーラーをしていた。母方の祖父母からはロシア人、ユダヤ人およびポーランド人の、父方の祖父母からはアイルランド人およびノルウェー人の血を引いている。英語の他に仏語・伊語に堪能。学業と仕事のバランスを取りながらイェール大学で2年間にわたって英語学と演劇学を学んだ後、スタンフォード大学に転入して古典演劇と即興演劇を学んだが、卒業するには至らなかった。
アメリカ製作のコメディドラマ『奥さまは魔女』が日本国内でもヒットしたことを受け、東映は魔法使いを扱ったアニメ作品の制作を企画した。当時の東映株式会社本社副社長であった渡邊亮徳は、人気漫画家であった横山光輝に原作の執筆を依頼し、制作が開始された。そして1966年7月号より少女漫画雑誌『りぼん』にて『魔法使いサニー』の連載が開始したが、版権の問題で当作品は『魔法使いサリー』に改題されたうえでアニメ化、放送が開始した。この『魔法使いサリー』が、当シリーズの初回作に当たるのは先述の通りだが、同時に日本初の魔法少女アニメ、また日本初の女子を主演に置いたアニメ作品とも言われる作品にも該当する。しかしこの作品は女子をメインターゲットにした作品でありながら、バラエティに富んだ作品性から、男子層からの人気も得ていたとされる。『サリー』のヒットに当たり、同枠での後番組として制作放送された赤塚不二夫を原作に置く第2弾『ひみつのアッコちゃん』は視聴率的にも前作を上回るヒット作となった。この時点で既に、スポンサーとの商品化の事情を把握したうえでの連携制作を行う形態が執られている。第3弾『魔法のマコちゃん』では、『サリー』からの視聴層もターゲットに、視聴年齢の大幅な引き上げが行われたが、前2作に続くような人気は得られずに放送を終えた。『マコ』の後番組である『さるとびエッちゃん』からは、「魔法使い」とは異なる「スーパーウーマンもの」も展開されるようになった。これを第4弾と見なすこともあるが、「魔女っ子」としてのシリーズ展開には含まれないこともあり、これ以降のシリーズ作品のカウントは必ずしも共通見解の無いものとなった。その後も枠を連ねシリーズ第5弾『魔法使いチャッピー』まで放送された後、男子向けアニメ及び『サリー』と原作者を同じとする『バビル2世』を挟んでシリーズは再開。ひろみプロが企画、原作を担当する第6弾『ミラクル少女リミットちゃん』が放送された。このとき放送が企画された作品には先述の物と『キューティハニー』の2作が上がっており、双方の製作スタッフによる企画コンペが行われた結果、前者が当枠での放送作品に選出されたという経緯がある。後者は対象年齢を広げるアレンジが盛り込まれて別枠での放送となったが、こうした経緯から『キューティーハニー』は商品展開によって本シリーズに含まれたり含まれなかったりと扱いの分かれることになった。同じ放送枠での第7弾にあたる『魔女っ子メグちゃん』では、前作に引き続きひろみプロが原作を担当。魔法要素、コメディ要素、主人公の心情描写や男子層を引き込むための大胆なアダルトテイストさなど、あらゆる点から見て本作が東映魔女っ子シリーズの集大成と言えるべき作品となっており、それを表すかのように当シリーズはここで一旦幕引きとなっている。1978年にはそれまで長浜ロマンロボシリーズなどを手がけてきた東映テレビ部が少女アニメに初挑戦し、『魔女っ子チックル』の放送を開始した。放送局と放送時間はこれまでと同じテレビ朝日（1977年にNETテレビから名称変更）月曜19時台前半だったものの、これまでのような東映動画の作品ではなかったこともあり、本作はシリーズとして扱われない場合も少なくない。上記『キューティーハニー』の例もあり、これ以降のシリーズは「第○作目」というカウントについての定義がますます困難になり、見解の分かれることになった。『メグ』の放送終了から4年後の1979年に『キャンディ・キャンディ』の後番組として本格的にシリーズが再開し、『花の子ルンルン』が放送を開始。枠を連ね、続いて放送された『魔法少女ララベル』にて、当シリーズはピリオドを打ったと見なされている。終了の理由は、「昔と違い強くなった現代の女の子たちにとって、魔法があこがれの存在ではなくなった」という制作者サイドの判断によるものだった。ただし、『ララベル』の後番組にあたる『ハロー!サンディベル』は引き続いて女子向けアニメである。『ララベル』放送終了後の1988年には『アッコ』のリメイク作品が製作・放送され、次いで1989年には『サリー』のリメイク作品が製作・放送されている。『アッコ』に至っては、1998年に再度リメイク作品が製作されており、一部ながらシリーズは世代を越えて支持されている。