Ally Walker lahir di Tullahoma, Tennessee, dan dibesarkan di Santa Fe, New Mexico. Ia memulai pendidikan di bidang biologi dan kimia di University of California Santa Cruz serta bekerja di perusahaan rekayasa genetika di San Francisco. Ketertarikannya terhadap teater muncul saat mengikuti semester di Richmond College of the Arts di London, tetapi ia memilih mengejar studi di bidang sciences.

Setelah lulus dan bekerja di bidang rekayasa genetika, kehidupannya berubah ketika seorang produser menemuinya di restoran dan memberinya peran pertamanya. Sejak itu, Ally membangun karier di televisi dan film, terkenal lewat perannya di serial Emmy-winning Santa Barbara dan True Blue, serta film cult Singles dan Universal Soldier.

Dia juga berperan sebagai detektif pribadi di Moon Over Miami dan sempat mengikuti audisi untuk karakter Rachel dan Monica di Friends, tetapi memilih peran lain di film Steal Big Steal Little. Dari peran-peran tersebut, ia dikenal luas sebagai Ashley Bartlett Bacon di While You Were Sleeping dan sebagai Dr. Samantha Waters di Profiler, yang menjadi tonggak karier utamanya. Serial ini memadukan unsur 'whodunit' dan kekuatan psikologis, memimpin tren drama forensik dan membuka jalan untuk serial seperti CSI dan Medium.

Di luar dunia akting, Ally terkenal karena dokumenternya 'For Norman...Wherever You Are', yang mengisahkan pengalamannya melalui sistem adopsi Los Angeles setelah membantu seorang bayi dan ibunya keluar dari jalanan. Film ini memenangkan penghargaan dan menjadi simbol komitmennya terhadap isu sosial dan sistem sosial. Ia juga tampil di HBO's 'Tell Me You Love Me', yang mengangkat tema kedekatan dan kejujuran dalam hubungan.

Peran terbarunya termasuk sebagai ATF Agent June Stahl di Sons of Anarchy, yang awalnya direncanakan hanya tiga episode namun berkembang menjadi peran berkelanjutan selama beberapa musim. Ally tinggal di Santa Monica bersama suami dan tiga anak laki-lakinya, serta tiga anjing peliharaan, dan aktif mendukung berbagai organisasi sosial dan lingkungan.