Née dans le Kentucky, Jennifer Carpenter manifeste très tôt son goût pour le théâtre. Dans cette optique, elle intègre la célèbre Juilliard School de New-York. Avant l’obtention de son diplôme, la jeune comédienne se produit sur les planches aux côtés de pointures comme Liam Neeson et Laura Linney dans la pièce incontournable "Les Sorcières de Salem".

Jennifer interprète son premier personnage important dans l’angoissant L’Exorcisme d’Emily Rose (2005). Elle est ensuite choisie pour se glisser dans la peau du lieutenant de police Debra Morgan, la sœur du célèbre tueur en série Dexter (campé par Michael C. Hall qui devient son mari de fin 2008 à fin 2011). Deuxième personnage principal de cette série à succès, la comédienne accède, via ce rôle culte, à une notoriété forte et soudaine. Parallèlement à cette série qui lui prend la majeure partie de son temps, Jennifer tourne pour le cinéma, en privilégiant les films d’horreur (En Quarantaine) et surtout les thrillers (Le Pacte, Disparue, The Factory).