Courteney Cox est la fille de l'homme d'affaires Richard Lewis Cox. Benjamine d'une famille de quatre enfants (deux sœurs aînées, Virginie et Dottie et un frère aîné Richard Jr.), elle connaît une enfance où l'on se moque de son nom de famille à l'école et ses parents se disputent tous les soirs ; depuis Courteney Cox n'aime pas entendre parler de la famille.

À 18 ans, son diplôme de fin d'études en poche, elle quitte le nid familial de l'Alabama pour New York. Passionnée par la décoration et l'aménagement d'intérieurs, elle se lance dans des études d'architecture qu'elle abandonne au bout d'un an.

Sur les conseils de son cousin (par alliance) Stewart Copeland, elle se présente à la célèbre agence de mannequins Ford où elle est immédiatement engagée. Elle n'a alors que 19 ans et elle tourne de nombreux spots publicitaires.

Tout d'abord connue pour sa participation à la série Superminds (1985-1986), elle apparaît dans son premier film Les Maîtres de l'univers en 1987. C'est cependant grâce à son rôle de Monica Geller dans la série télévisée à succès Friends (1994-2004), qu'elle est révélée mondialement. Elle confirme ensuite avec le rôle de Jules Cobb dans la série tragi-comique Cougar Town (2009-2015) qui lui vaut une nomination au Golden Globe de la meilleure actrice dans une série télévisée musicale ou comique.

Au cinéma, elle est notamment célèbre pour avoir incarné la journaliste Gale Weathers, dans la série de films d'horreur Scream de Wes Craven.

Elle possède sa propre société de production, Coquette Productions, créée par elle-même et son mari de l'époque, David Arquette.

Courteney Cox a vécu pendant trois ans avec Ian Copeland, un promoteur de la musique d'avant-garde de quinze ans son aîné, dans les années 1980. Elle a ensuite été en couple avec le scénariste Paul Brown de 1987 à 1989, puis avec l'acteur Michael Keaton de 1989 à 1995.

En 1997, elle commence à fréquenter l'acteur David Arquette — rencontré sur le tournage du film Scream l'année précédente. Après s'être fiancés en septembre 1998, ils se marient le 12 juin 1999. Le 13 juin 2004, elle donne naissance à leur premier enfant, une fille prénommée Coco Riley Arquette, dont l'actrice et amie proche de Courteney, Jennifer Aniston, est la marraine. Le 11 octobre 2010, le couple annonce sa séparation, au bout de treize ans de vie commune et onze ans de mariage. Leur divorce est prononcé en juin 2012.

L'actrice révèle lors d'une entrevue avec le magazine People en 2004 avoir subi, avant la naissance de Coco, une série de fausses couches consécutives : « Je tombe assez facilement enceinte, mais j'ai du mal à les garder. Je me souviens d'une fois où je venais de faire une fausse couche alors que le personnage de Rachel devait accoucher. […] C'était très dur de réussir à être drôle ».

Elle rencontre l'acteur et mannequin Brian Van Holt, avec qui elle est en relation de décembre 2012 à octobre 2013. En novembre 2013, elle est en couple avec le musicien irlandais Johnny McDaid, membre du groupe Snow Patrol. Le 26 juin 2014, Courteney Cox annonce leurs fiançailles, au bout de sept mois de relation.