Winstead syntyi Pohjois-Carolinassa ja varttui Salt Lake Cityssä, Utahissa. Hänen vanhempansa ovat James Ronald Winstead ja Betty Lou (o.s. Knight) ja hän on nuorin viidestä lapsesta. Winsteadin isoisä oli elokuvatähti Ava Gardnerin serkku. Winstead opiskeli nuorena balettia ja lauloi kuorossa, mutta joutui lopulta jättämään baletin pituutensa takia. Hän myös oli suurimman osan lukioajasta kotiopetuksessa. Ensimmäiset roolinsa Winstead teki Broadway-näyttämöllä sekä televisiosarjoissa vuodesta 1997 alkaen. Hänen ensimmäinen merkittävä osansa oli Walt Disney -elokuvassa Sky High (2005), jossa hänellä oli antagonistin rooli. Elokuva oli yleisö- ja arvostelumenestys.
