Heather Joan Graham lahir di Milwaukee, Wisconsin, dari orang tua yang berkecimpung di dunia pendidikan dan penegakan hukum. Karena ayahnya adalah agen FBI, keluarga sering berpindah tempat, memberinya perspektif luas sejak dini. Meskipun secara alami pemalu, Heather menemukan kebahagiaan dan kepercayaan diri di dunia akting, yang semakin berkembang selama masa kecilnya.

Didukung oleh minat kreatif, Heather aktif di pertunjukan sekolah dan teater lokal. Ia pernah terpilih sebagai Most Talented oleh teman sekelasnya saat SMA, menandakan bakat dan dedikasinya sejak muda. Setelah lulus, ia pindah ke Los Angeles untuk mengejar karier akting sekaligus belajar di UCLA, namun berhenti setelah dua tahun untuk fokus pada dunia film.

Karier film Heather diawali dari peran kecil di film seperti Drugstore Cowboy, Six Degrees of Separation, dan Swingers. Kesempatan besar datang lewat peran utama di Boogie Nights dan Austin Powers: The Spy Who Shagged Me, yang mengukuhkan namanya di Hollywood. Sejak saat itu, ia membangun daftar film beragam dan tampil di berbagai acara TV terkenal.

Selain berakting, Heather juga berkarya sebagai penulis, sutradara, dan produser. Debut menyutradarai film Half Magic tahun 2018, yang juga ia tulis dan bintangi. Pada 2024, ia merilis Chosen Family, sebuah film romansa dramedy yang tayang perdana di Santa Barbara International Film Festival dan dirilis tanggal 11 Oktober 2024.

Di tahun 2025, Heather akan tampil bersama Nicolas Cage dalam film Western aksi berjudul The Gunslingers, yang dijadwalkan rilis April. Ia juga akan bermain di film horor thriller They Will Kill You, produksi Skydance dan New Line Cinema, yang produksinya dimulai akhir 2024 dan menampilkan sejumlah artis terkenal lainnya.