Carrie-Anne Moss fait ses études à l'American Academy of Dramatic Arts de Pasadena en Californie et décide à l'âge de 20 ans de partir pour l'Europe poursuivre une carrière de mannequin. Avant de percer au grand écran, elle apparaît dans plusieurs séries télévisées dont Dark Justice (1991) et une série de science-fiction ironiquement intitulée Matrix (1993). Elle fait ses débuts au cinéma dans Flashfire (1993), un thriller avec Billy Zane. Se succèdent The Soft Kill (1994), ou Lethal Tender (1997), qui mêlent le thriller à l'action, son genre de prédilection. Son rôle de Trinity dans la célébrissime saga Matrix (de 1999 à 2021) des soeurs Lily Wachowski et Lana Wachowski, lui apporte la gloire. Elle enchaîne avec un énième film d'action, New Blood (1999), avant de changer de registre pour Le Chocolat en 2000, romance dans laquelle elle est Caroline Clairmont, une mère très protectrice qui s'oppose à Juliette Binoche. Une année chargée pour l'actrice puisqu'elle se retrouve également au générique de la comédie The Crew, du thriller Memento, et du film de science-fiction Planète rouge.
Carrie-Anne continue également à travailler sur différents projets, notamment sur des films indépendants tels que Génération Rx (2005) avec Ralph Fiennes et Glenn Close, et Sex, Lies & Murder (2006) avec Alec Baldwin et Luke Wilson. L’actrice apparaît face à Shia LaBeouf dans Paranoiak (2007), et dans No Limit (2010) avec Samuel L. Jackson et Michael Sheen. Véritable icône du cinéma au début des années 2000, l'actrice se fait aujourd'hui plus discrète et tente de changer son image de "Trinity". Plus récemment, elle participe à une nouvelle grosse production avec Silent Hill : Revelation 3D (2012), où elle interprète Claudia Wolf, une diabolique et terrifiante prêtresse.
