Shailene Woodley est diplômée du lycée simi Valley High School. Avant d'obtenir le rôle principal dans la série La Vie secrète d'une ado ordinaire, la jeune femme comptait intégrer l'université de New York, afin d'étudier l'architecture d'intérieur.

Elle est révélée au début des années 2010 par les films indépendants The Descendants, The Spectacular Now  et Nos Étoiles contraires.

Elle confirme en tête d'affiche de la trilogie de science-fiction Divergente, dans le rôle de Tris Prior.

De 2017 à 2019, elle tient l'un des rôles principaux de la série Big Little Lies, aux côtés de Reese Witherspoon et Nicole Kidman.

Shailene Woodley est une fervente militante écologiste et activiste pour le climat. Sa mère et elle ont fondé ensemble l'organisme sans but lucratif All It Takes en 2010. All it Takes est un programme de renforcement du leadership chez les jeunes, qui vise à leur enseigner la pratique de l'empathie, la compassion, la responsabilité et la détermination, dans l'espoir de favoriser un changement durable et positif, pour eux-mêmes, les autres, et l'environnement.

Elle soutient Bernie Sanders à la présidentielle de 2016.

La même année, elle dénonce le projet Dakota Access Pipeline, un pipeline souterrain de transport de pétrole de 3,87 milliards de dollars, construit par Dakota Access LLC. Le 10 octobre, elle est arrêtée pour intrusion criminelle à Saint Anthony, dans le Dakota du Nord. Elle plaide coupable, et est condamnée à un an de probation.

Au milieu de l'année 2016, Shailene Woodley se joint au conseil d'administration de Our Revolution, une organisation politique visant à sensibiliser les électeurs aux enjeux politiques, à les faire participer au processus, organiser et élire des dirigeants progressistes.

Le 29 septembre 2016, elle est récompensée à l'occasion du 20^e anniversaire des Global Green Environmental Awards, au cours duquel elle reçoit l'Entertainment Industry Environmental Leadership Award pour avoir cofondé l'organisation All it Takes. En octobre 2016, elle remporte le prix Female EMA Futures Award lors de la 26^e édition annuelle de l'Environmental Media Association (EMA) Awards.

En 2018, elle invite la militante Calina Lawrence à la 75^e cérémonie des Golden Globes, qu'elle avait rencontrée pour la première fois à la réserve indienne de Standing Rock, en protestant contre le Dakota Access Pipeline.

En juillet 2019, Shailene Woodley devient ambassadrice des océans pour Greenpeace, et entreprend une expédition de trois semaines dans la mer des Sargasses pour étudier l'impact des plastiques et des microplastiques sur la vie marine, et pour démontrer l'importance de cet écosystème unique, dans le cadre du nouveau traité mondial sur la conservation des océans, en voie de négociation aux Nations unies.

Shailene était en couple avec Nahko Bear, membre du groupe Medicine for the People, de 2014 à 2016.

D’octobre 2017 à 2019, elle sortait avec le rugbyman fidjien Ben Volavola qui joue au Racing 92, club de rugby des Hauts-de-Seine.

Elle était ensuite en couple avec le quarterback américain Aaron Rodgers, de l'été 2020 à février 2022. Ils avaient annoncé leurs fiançailles en février 2021.

Elle est très proche d'Isidora Goresther, Megan Park et Shawn-Caulin Young, qui font partie de ses meilleurs amis, mais également de Miles Teller et sa femme Keleigh Sperry, et de Ansel Elgort. Elle est proche également d'actrices comme Zoë Kravitz, Reese Witherspoon, Laura Dern, Nicole Kidman, Kathryn Newton et Ian Armitage, qui font comme elle partie du casting de Big Little Lies. Elle est également une amie proche de Sam Claflin, de Nikki Reed, de Sebastian Stan, de Jessica Chastain, de Nahko Bear, de Olivier Rousteing, de Jessica Alba, de Maggie Q, ainsi que de Theo James, son partenaire dans la trilogie à succès Divergente.

En 2020, elle révèle dans une interview pour le New York Times qu'elle a eu d'importants problèmes de santé au cours de sa vingtaine : « Je n'en ai pas encore beaucoup parlé en public, et je le ferai un jour, mais j'ai été très, très malade, au début de ma vingtaine. Lorsque je tournais les films Divergente, que je travaillais dur, j'ai été confrontée à un souci physique profondément personnel et très effrayant. Pour cette raison, j'ai dit non à beaucoup d'opportunités, car je devais d'abord aller mieux. » Aujourd'hui, elle est guérie, et explique : « Une grande partie de ces dernières années a été occupée à me focaliser sur ma santé mentale, c'est un processus lent. Mais grâce au travail, j'ai les pieds sur terre, et je sais clairement qui je suis, ce qu'est ma vie, que ce soit ma carrière ou mes relations, ou ma propre valeur. Je suis très reconnaissante d'avoir traversé tout ça. »

En 2020, pendant le confinement, elle participe à de nombreux live, notamment celui avec des membres de All It Takes, et Cara Delevingne, où elle évoque ses problèmes personnels liés à son mental, comment gérer au quotidien sa santé mentale, ainsi que l'importance de parler de ce sujet primordial.