Nata a Portland e cresciuta a St. Helens, in Oregon, Sackhoff ha frequentato la Sunset High School di Beaverton. Fin da giovane perseguì l'obiettivo di diventare una nuotatrice professionista, ma dovette smettere questo sport in seguito a un incidente al ginocchio: di conseguenza iniziò a dedicarsi allo yoga e alla recitazione.
Durante la scuola recitò in alcune produzioni scolastiche e nel film Fifteen and Pregnant; Kirsten Dunst, che era protagonista di quest'ultima pellicola, convinse Sackhoff a trasferirsi a Hollywood per proseguire questa carriera. Il primo ruolo di rilievo fu quello di Annie nella serie televisiva prodotta da MTVUndressed partecipando a 4 episodi nel ruolo di Annie, seguito da quello di Nell Bickford in The Education of Max Bickford di cui era protagonista. In seguito ottenne alcune parti in film per il grande schermo, debuttando con My First Mister e poi interpretando Jen Danzig in Halloween - La resurrezione.
Nel 2003 ottenne il suo ruolo di maggior successo in Battlestar Galactica, interpretando uno dei personaggi-chiave del franchise, il capitano Kara Thrace, personaggio che interpreta fino al 2009. I produttori Ronald D. Moore e David Eick hanno più volte affermato che il ruolo di Kara è stato fortemente influenzato dalla forte personalità della Sackhoff;[1] persino i suoi tre tatuaggi, l'anello che porta al pollice sinistro, e la sua decisione di smettere di fumare (a cavallo fra la seconda e terza stagione della serie) sono stati inclusi nella caratterizzazione del personaggio (sebbene uno dei tatuaggi, che rappresentava una croce, sia stato prima nascosto e poi modificato per coerenza narrativa, essendo il cristianesimo sconosciuto nell'universo di Battlestar Galactica). Per l'interpretazione di Kara, Sackhoff ha vinto il Saturn Award come migliore attrice televisiva non protagonista nel 2005, e ha ricevuto altre due candidature nel 2003 e nel 2006.
Nel 2009 recita in 4 episodi nella serie Nip/Tuck, mentre l'anno successivo è nel cast principale dell'ottava stagione della serie 24 interpretando Dana Walsh. In questo decennio ha inoltre prestato la sua voce a molti videogiochi, tra cui Spider-Man e Batman. Dal 2012 al 2017 è tra i protagonisti della serie Longmire nei panni della vice sceriffo Victoria Moretti.
Dal 2012 presta la propria voce al personaggio mandaloriano di Bo-Katan Kryze nella serie animata Star Wars: The Clone Wars, ruolo che riprenderà successivamente come doppiatrice nella serie animata Star Wars Rebels; successivamente viene scelta per impersonarla nella seconda stagione della serie The Mandalorian.[3] Dal 2019 è inoltre protagonista della serie Another Life.
^(EN) Jeff Jensen e Adam B. Vary, Catch a Rising Starbuck, in Entertainment Weekly, n. 985, Meredith Corporation, 4 aprile 2008.
^(EN) Interview: Starbuck Steps It Up, su Dose.ca - Entertainment News, CanWest MediaWorks Publications Inc., 6 febbraio 2009 (archiviato dall'url originale il 14 settembre 2011).