Urodziła się wSan Carlos wKalifornii jako jedyne dziecko kierownika sklepu z farbami i bibliotekarki.
Zaczynała jako malarka. Przez dwa lata studiowała malarstwo w San Francisco Art Institute, a potem zdobyła prestiżowe stypendium Programu Samodzielnych StudiówWhitney Museum w 1971. Odbyła też podyplomowe studia filmowe naColumbia University, w zakresie teorii i krytyki.
Jej pierwszy krótkometrażowy film,The Set-Up (1978), to 20-minutowa dekonstrukcja przemocy w filmie. Pierwszy jej film fabularny toThe Loveless (1982) o motocyklistach, gdzie współreżyserem był Monty Montgomery. Następnie wyreżyserowałaBlisko ciemności (Near Dark, 1987), na podstawie scenariusza napisanego we współpracy z Erikiem Redem. Film wzbudził zainteresowanie zarówno krytyków, jak i fanów horrorów dzięki swej niezwykłej mieszance gatunków, łączącej film owampirach iwestern.
WBłękitnej stali (Blue Steel) gwiazdą jestJamie Lee Curtis, grająca policjantkę-nowicjuszkę świadomą własnej delikatności. Kultowy filmNa fali (Point Break) to rolaKeanu Reevesa jako agentaFBI, który udajesurfera, aby schwytać grupę złodziei okradających banki.
W 1995 powstał filmDziwne dni, gdy fascynowano sięrzeczywistością wirtualną. Scenarzystą i producentem byłJames Cameron, były już wtedy mąż reżyserki. Film nie przyciągnął zbyt wielkiej widowni. Jest to thrillerneo-noir z akcją wLos Angeles na przełomie wieków. Gwiazdami sąRalph Fiennes iAngela Bassett, ta ostatnia jako silna kobieta, jedna z wielu w filmach Bigelow. W scenie finałowej pojawiły się dziesiątki tysięcy statystów.
2000 to filmPrzekleństwo wyspy, na podstawie powieści pod tym samym tytułemAnity Shreve, portret dwóch kobiet uwięzionych w dusznych związkach. Nie ma tu technicznych fajerwerków, jest tylko tematyka rodzinna.
W 2002 wyreżyserowała filmK-19 (K-19: The Widowmaker), zHarrisonem Fordem, o grupie mężczyzn na pokładzie pierwszego sowieckiegookrętu podwodnego o napędzie atomowym. Film okazał się kasowym niewypałem, mimo pełnej akcji fabuły i dbałości o szczegóły.
Kolejny film Bigelow toThe Hurt Locker. W pułapce wojny (2008). Obraz ten, traktujący owojnie w Iraku, stał się największym sukcesem artystycznym reżyserki i przyniósł jej nominację do Oscara za reżyserię, a następnie i samą nagrodę. Oscara otrzymała na gali 7 marca 2010, będąc pierwszą kobietą w historii uhonorowaną Oscarem za reżyserię.
Dla telewizji nakręciła odcinki serialiWydział zabójstw Baltimore 3 (1997-98),Wild Palms (1993) i kilku innych, np.Karen Sisco. Wyreżyserowała także wideoklip do utworuNew OrderTouched by the Hand of God.
