C'est dès l'âge de seize ans que Toni Collette quitte son école australienne afin de suivre les cours d'art dramatique du National Institut of Dramatic Art à Sydney. Elle fait ses débuts cinématographiques à 19 ans aux côtés de Russell Crowe dans la comédie Spotswood, puis elle se distingue au théâtre dans de nombreux spectacles de la Sydney Theatre Company et du Belvoir Street Theatre.En 1994, l'actrice acquiert une véritable notoriété internationale en incarnant la boulotte et romantique Muriel, dans la comédie homonyme de P.J. Hogan, rôle pour lequel elle prend plus de vingt kilos. Le personnage de Muriel, une jeune fille innocente qui écoute le groupe Abba à longueur de journée tout en rêvant au prince charmant, séduit le public et fait du film un énorme succès international et pour lequel elle décroche une nomination aux Golden Globes et l'Australian Film Institute Award de la meilleure actrice.Depuis, la comédienne a démontré une certaine facilité à se plonger dans tous les types de rôles, que ce soit la sympathique Harriet Smith dans Emma l'entremetteuse (1996), la femme torturée d'une star du rock dans Velvet Goldmine (1998), ou encore la nonne travaillant dans une maison close pour 8 Femmes 1/2 (1999) de Peter Greenaway. En 2000, l'actrice est nominée à l'Oscar de la Meilleure actrice dans un second rôle grâce à la prestation qu'elle délivre dans Sixième Sens, une mère de famille célibataire dépassée par les tourments psychologiques de son fils. Après des seconds rôles remarqués dans Pour un garçon ou The Hours aux côtés de Julianne Moore, Toni Collette revient en 2004 à ses premières amours avec une comédie dynamique, où la musique tient une place importante dans la même veine que Muriel. Dans Connie et Carla, elle incarne en compagnie de Nia Vardalos une chanteuse sans succès qui après avoir été témoin d'un meurtre se retrouve obligée de se travestir en Drag-Queen pour ne pas être reconnue. Un rôle qui lui permet un fois de plus d'exprimer son potentiel comique.
In her shoes, comédie romantique de Curtis Hanson, la voit en avocate maniaque de travail, célibataire malgré elle, et surtout fâchée avec sa soeur incarnée par Cameron Diaz. En 2006, elle renoue avec le succès international en campant la mère d'une famille américaine excentrique dans Little Miss Sunshine, quatre fois nommé aux Oscars 2007. Elle change ensuite totalement de registre avec The Dead Girl où elle interprète le rôle d'Arden, une jeune femme martyrisée par sa vieille mère malade.
Dans Le Temps d'un été (2007), l'actrice est au coeur d'un grand drame romantique, aux côtés de Claire Danes et de Meryl Streep, puis elle double pour la première fois un personnage animé dans Mary et Max réalisé par Adam Elliot. En 2009, elle entre dans la peau d'une femme aux identités multiples pour la série United States of Tara, dont elle incarne le rôle-titre pendant 3 saisons. L'actrice n'en oublie pas pour autant le cinéma : elle apparaît dans le film d'horreur Fright Night puis joue le rôle de l'assistante personnelle d'Alfred Hitchcock dans le bien nommé Hitchcock de Sacha Gervasi.
Suivent des productions restées pour la plupart inédites dans les salles françaises (Up & down, Tammy, Hector et la recherche du bonheur, Glassland) à l'exception de l'animé Les Boxtrolls auquel elle participe. Il faut attendre 2016 pour la revoir sur grand écran dans Ma Meilleure Amie où elle est confrontée à la maladie, épaulée par Drew Barrymore. Elle change ensuite radicalement de registre en enchaînant avec le musclé xXx : Reactivated, le conte horrifique de Noël Krampus, la romance Madame et le thriller d'espionnage Conspiracy. En 2018, elle se fait remarquer pour son impressionnante prestation dans le film d'horreur Hérédité, où elle est une femme confrontée à la mort de sa mère qui découvre de terribles secrets sur sa famille.
