Nata a Kansas City e trasferitasi a Houston all'età di 5 anni, ha studiato presso la Brigham Young University, una delle più grandi università private degli Stati Uniti, e la più grande appartenente ad una comunità religiosa, la Chiesa mormone, di cui Mireille Enos fa parte. Nel 2005, per aver interpretato Honey nel dramma teatrale Chi ha paura di Virginia Woolf? (Who's afraid of Virginia Woolf?), ha ricevuto una candidatura come migliore attrice non protagonista in uno spettacolo ai Tony Awards.[1]
Dopo diverse apparizioni televisive minori, dal 2007 ha interpretato le sorelle Kathy e Jodeen Marquart nella serie televisiva della HBOBig Love, mentre dal 2011 al 2014 ha interpretato la protagonista Sarah Linden nella serie TV The Killing. Nel 2012 è co-protagonista nel film Gangster Squad. Nel biennio 2016-2017 interpreta Alice Vaughan nella serie The Catch, mentre nel 2019 è Marissa Wiegler in Hanna, serie televisiva di Amazon che la vede recitare accanto a Joel Kinnaman, già suo copratogonista in The Killing.
Vita privata
Sposata con l'attore Alan Ruck dal 4 gennaio 2008, il 23 settembre 2010 ha avuto la sua prima figlia, seguita il 23 luglio 2014 dal secondogenito.
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