A kaliforniai Camarillóban született 1985-ben. Magántanuló volt, és tizenhat évesen befejezte a középiskolát.
Színészi pályafutása
Fiatalkora óta színészkedik. Reklámokban is feltűnt, utána sorra kapta a kisebb szerepeket.
Kaley 6 éves korában kezdett el modellkedni. Hat különböző Barbie reklámban szerepelt. Az első nagy szerepe az 1992-es Quicksand: No Escape mozifilmben volt. Ő játszotta Maureen McCormikot 2000-ben a Growing Up Bradyben, amivel felhívta magára a figyelmet, akárcsak a CBS helyzetkomikumában a Ladies Manben. 2002-ben ívelt fel karrierje, mikor szerepet kapott a 8 Simple Rulesban, ahol egy tinédzsert alakított. Közben főszerepet kapott az NBC csatorna minisorozatában a 10.5-ben.
Szinkronhangja volt Brandy Harringtonnak a Disney csatorna rajzfilmjén, a Brandy és Mr. Bajusz-ban (Brandy and Mr. Whiskers).
2007 szeptemberében szerepet vállalt az Agymenők (eredeti címén: The Big Bang Theory) című szituációs komédiában. Penny szerepét játssza, egy gyönyörű és földhözragadt lányt, aki a Sajttorta Gyár (a sorozatban Cheesecake Factory) nevű étterem egyik pincérnője, és két „kockafej”, Sheldon Cooper és Leonard Hofstadter szomszédja. A műsorban Omahából költözött Kaliforniába, hogy ott színészi karriert kezdjen.
Cuoco három filmszerepet kapott 2010-ben és 2011-ben. A Hoppban és Wanda szerepében a The List Ride-ban tűnt fel.
2012 januárjában a People's Choice Awards díjátadójának ő volt a házigazdája.
A magyar közönség a Bűbájos boszorkák című sorozat egyik főszereplőjeként ismerhette meg, az utolsó évadban Billie karakterét játszotta. 2007-től 2019 januárjáig az Agymenők című sorozatban alakította Pennyt.
Magánélete
San Fernando Völgyben él, Kaliforniában. Egyik kedvenc hobbija az asztalitenisz. Az Ellen show-ban egy Agymenők (The Big Bang Theory)-dizájnnal ellátott pingpongütőt ajándékozott a házigazda műsorvezetőnőnek, Ellennek. Nemzetközileg rangsorolt amatőr teniszjátékos volt, ezt a hobbit 3 éves korában kezdte el. Van egy húga, Briana.
Johnny Galeckivel két évig jártak titokban. 2009 decemberében szakított színészkollégájával.[3]
2011 októberében jelentették be, hogy eljegyezte őt Josh „Lazie” Resnik. Néhány hónappal később felbontották az eljegyzést.[4]
2013-ban hozzáment Ryan Sweeting teniszjátékoshoz. 2015 szeptemberében azonban közös megegyezéssel elváltak.
2016-ban megismerkedett Karl Cookkal,[5] majd 2018-ban összeházasodtak.[6] 2021-ben bejelentették, hogy külön utakon folytatják életüket.[7]
2022 májusa óta Tom Pelphrey párja. 2022 októberében Instagrammon bejelentették, hogy gyereket várnak. 2023. március 30-án megszületett lányuk, aki a Matilda Carmine Richie Pelphrey nevet kapta.