Halvorsen, formée à l'Académie de Théâtre de Stockholm, s'est d'abord fait connaître par sa participation à la série téléviséeSkärgårdsdoktorn (traduction française : "Le docteur de l'archipel"), série diffusée par la Sveriges Television, SVT (Télévision de la Suède) de 1997 à 2000. Composée de 18 épisodes, la série a été suivie en Suède par un très grand public.
En 2008, Pia Halvorsen avait formé avec Karin Weywadt, le théâtre Pika Pika, représentant entre autres, en 2011, une pièce du dramaturge français Victor Haïm, au Strindbergs Intima Teater (Théâtre Intima de Strindberg) de Stockholm.
Elle a ensuite joué l'un des rôles principaux de la série télévisée Äkta människor (titre anglais, pour la diffusion hors de Suède : Real Humans : 100 % humain), diffusée à la télévision suédoise en 2012. Les dix épisodes de la série ont été diffusés sur Arte entre le et le .
Halvorsen est mariée à l'acteur suédois Jacob Nordenson, et mère de deux enfants.
