Morena Baccarin est née le 2 juin 1979 à Rio de Janeiro, dans la région Sud-Est. Elle est fille de Fernando Baccarin, journaliste brésilien d'origines italienne et libanaise, et Vera Lúcia Setta, actrice de cinéma et de la télévision, brésilienne d'origines italienne et portugaise.

À ses dix ans, Morena Baccarin s'est installée avec sa famille à Greenwich Village, New York, aux États-Unis.

Plus tard, elle s'est inscrite à l'école Fiorello H. LaGuardia High School of Music & Art and Performing Arts (l'université vedette du film Fame) avant d'intégrer le programme de théâtre à l'école Juilliard. Wes Bentley y était un de ses camarades de classe.

Elle se fait connaître à la télévision pour ses interprétations dans plusieurs séries télévisées américaines ayant marqué l'univers de la pop culture, avec les rôles d'Inara Serra dans Firefly et d'Adria dans Stargate SG-1. Elle retrouve ces deux personnages dans des longs métrages, la première dans Serenity  et la seconde dans Stargate : L'Arche de vérité.

Par la suite, elle poursuit son parcours à la télévision, étant tour à tour Anna dans V, Jessica Brody dans Homeland ou encore Erica Flynn dans Mentalist .

Elle devient également une fidèle de la maison DC Comics, d'abord via l'animation en prêtant sa voix à Dinah Lance / Black Canary dans Justice League  et Cheetah dans Batman: The Brave and the Bold, puis dans des séries en prises de vues réelles, en prêtant sa voix à Gideon dans Flash et en incarnant le D^r Leslie Thompkins dans Gotham. Elle interprète également Talia al Ghul dans les films d'animation Son of Batman et Batman: Bad Blood. En parallèle, elle joue au cinéma le personnage de la maison Marvel Comics, Vanessa Carlysle, dans le film Deadpool et ses suites.

Morena Baccarin épouse le producteur Austin Chick en novembre 2011. Le 22 octobre 2013, elle donne naissance à un garçon prénommé Julius. En juin 2015, Austin Chick demande le divorce après trois ans de vie commune, qui est officialisé le 18 mars 2016.

Depuis mars 2015, elle est en couple avec Ben McKenzie, dont elle a fait la connaissance sur le tournage de la série Gotham. En septembre 2015, elle annonce être enceinte de leur premier enfant. Le 2 mars 2016, elle donne naissance à une fille prénommée Frances Laiz Setta Schenkkan. En novembre 2016, ils annoncent leurs fiançailles. Ils se sont mariés le 2 juin 2017. En décembre 2020, elle annonce être enceinte de leur deuxième enfant. Le 9 mars 2021, elle donne naissance à un garçon prénommé Arthur.