Diplômée en 1988 de la Agoura High School, en Californie, Heather Graham abandonne ses études à l'Université de Los Angeles pour se consacrer au métier de comédienne comme sa soeur Aimee Graham. Travaillant comme mannequin pour Emanuel Ungaro Liberte, elle s'illustre dans des spots publicitaires puis se produit sur les planches avec les pièces The Cave dwellers, The Time of your life ou encore Les Sorcières de Salem. En 1987, Heather Graham figure au générique du téléfilm Student exchange et fait ses premières apparitions au cinéma dans de nombreuses comédies : License to drive (1988) de Greg Beeman, Jumeaux (1988) d'Ivan Reitman, Je t'aime à te tuer (1990) de Lawrence Kasdan.

Parallèlement, l'actrice joue dans des films à tonalité plus dramatique : Drugstore cowboy (1989) de Gus Van Sant, qui lui vaut d'être nommée pour l'Independant Spirit Award du meilleur second rôle, Even cowgirls get the blues (1993) du même Gus Van Sant, Twin Peaks (1992) de David Lynch, où elle retrouve le personnage d'Annie Blackburn qu'elle avait créé dans la série télévisée du même nom, Six degrés de séparation (1993) de Fred Schepisi ou encore Mrs Parker et le cercle vicieux (1994) d'Alan Rudolph.

Dès 1997, Heather Graham accède au rang de star en dévoilant ses charmes dans Boogie nights de Paul Thomas Anderson, en incarnant la partenaire sexy du déjanté agent secret dans Austin Powers - l'espion qui m'a tirée (1999) de Jay Roach et en interprétant une jeune comédienne prête à tout pour faire du cinéma dans Bowfinger, roi d'Hollywood (id.) de Frank Oz. Promis à un bel avenir, elle se voit décerner au ShoWest 1999 le titre de Star Féminine de Demain.

Charmant tour à tour Johnny Depp dans From hell (2002), Edward Burns dans Rencontres à Manhattan (id.) et Joseph Fiennes dans Feu de glace (id.), Heather Graham retrouve de temps à autre l'un de ces personnages sexys qui lui ont apporté la gloire, comme celui de l'actrice porno Sharonna dans la comédie Le Gourou et les femmes (2003). Remarquée en 2004 par Abel Ferrara, elle décroche le rôle d'Elisabeth, la compagne du journaliste campé par Forest Whitaker, dans son religieux Mary. La même année, elle interprète le Dr. Molly Clock, dans la saison 4 de la série télévisée Scrubs.

Mais les films dans lesquels elle s'affiche ensuite passent pour la plupart inaperçus, amoindrissant ainsi sérieusement sa notoriété (Mariage et pièce montée, 2005 ; Boogie Woogie, 2008 ; Father of Invention, 2009 ; The flying machine, 2011). Le public international la redécouvre cependant dans la comédie déjantée Very Bad Trip, où elle incarne Jade, une strip-teaseuse qui travaille à Las Vegas. Un rôle qu'elle retrouve dans le dernier volet de la trilogie (Very Bad Trip 3, 2013), toujours aux côtés du trio Bradley Cooper, Zach Galifianakis et Ed Helms.