両親が演劇学校を経営していた影響で、幼少時より演技に興味を持つ。86年、兄のエリック・ロバーツ主演の「ブラッド・レッド 復讐の銃弾」（全米公開は89年、日本劇場未公開）で初めて映画に出演し、88年の「ミスティック・ピザ」や「サティスファクション」（日本劇場未公開）で注目される。89年の「マグノリアの花たち」でアカデミー助演女優賞にノミネート。翌90年の「プリティ・ウーマン」が大ヒットを記録し、アカデミー主演女優賞にもノミネートされたことで、、名実ともにトップスターになった。以降、「ペリカン文書」（93）、「ベスト・フレンズ・ウェディング」（97）、「ノッティングヒルの恋人」（99）などで活躍し、00年の「エリン・ブロコビッチ」ではタイトルロールを演じ、アカデミー主演女優賞を受賞。その後も「ザ・メキシカン」（01）、「オーシャンズ11」（01）と続編「オーシャンズ12」（04）などの話題作に出演し、近年では「デュプリシティ スパイは、スパイに嘘をつく」（09）や「食べて、祈って、恋をして」（11）などで主演を務める。13年の「8月の家族たち」で2度目のアカデミー助演女優賞候補になった。私生活では、「ザ・プレイヤー」（92）で共演した俳優ライル・ラベットと93年に結婚したが95年に離婚。02年に「ザ・メキシカン」のカメラマン、ダニー・モダーと再婚し、04年に双子の男女、07年に次男を出産した。女優のエマ・ロバーツは姪。
