Byrne hizo su debut en la gran pantalla en 1994 en un rol menor en la película Dallas Doll. En 2000 tuvo el rol principal en la película australiana The Goddess of 1967, actuación que le otorgó el premio a Mejor Actriz en el Festival de Cine de Venecia. Ha actuado en las películas Troy (2004), Wicker Park (2004), Marie Antoinette (2006), 28 Weeks Later (2007), Sunshine (2007), Knowing (2009), Adam (2009) y Get Him to the Greek (2010).
Desde 2007 interpreta a Ellen Parsons en la serie de televisión de abogados Damages, la que le ha valido dos nominaciones a los Globos de Oro y dos a los premios Emmy. En 2011, actuó en la económicamente exitosas películas Insidious, X-Men: First Class y Bridesmaids.
Byrne nació en Balmain, un suburbio de Sydney, Australia, tiene ascendencia irlandesa y escocesa (su abuelo fue un inmigrante irlandés en Australia). Es hija de Jane, una administradora de un colegio primario, y de Robin Byrne, un trabajador en el área de las estadísticas y la investigación de mercado semi retirado. Es la mejor de cuatro hijos; tiene un hermano mayor llamado George, y dos hermanas mayores, Alice y Lucy.
Sus dos padres son ateos, y ella se describe como agnóstica.
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En una entrevista para BlackBook Magazine promoviendo la película Knowing, a la pregunta de si fue criada en alguna religión contestó:
"Sí, yo diría que soy agnóstica. Mis padres son ateos. Bueno, mi madre lo es. Yo diría que mi padre es agnóstico. Pero yo creo que probablemente sea agnóstica, sí. Creo que el hecho de que haya tantas religiones diferentes en el mundo me hace inmediatamente sospechosa. ¿Cómo puedes saber cual es la correcta? ¿Entiendes lo que digo? ¿Es la religión judía correcta? ¿O es la religión cristiana correcta? ¿O es la religión Hindú la correcta?"
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