Michelle Lynn Monaghan se narodila 23. března 1976 v malém městě Winthrop ve státě Iowa. Její otec, Robert Monaghan, pracoval v továrně a její matka, Sharon Monaghan, vedla domácnost a provozovala denní školku. Michelle vyrůstala se dvěma staršími bratry, Bobem a Johnem. Rodina měla irské a německé kořeny. Po absolvování Winthrop East Buchanan High School v roce 1994 se Michelle přestěhovala do Chicaga, kde studovala žurnalistiku na Columbia College Chicago. Během studií si začala přivydělávat jako modelka. V roce 1999 se rozhodla studium opustit a přestěhovala se do New Yorku, aby se plně věnovala modelingové kariéře. Pracovala pro značky jako Max Factor, Guess a Secret a objevovala se v různých časopisech.
Její modelingová kariéra jí otevřela dveře k herectví. První televizní role přišla v roce 2000, kdy se objevila ve dvou epizodách populárního seriálu „Mladí a neklidní“ (Young Americans). Následovaly menší role v seriálech jako „Zákon a pořádek: Útvar pro zvláštní oběti“ (Law & Order: Special Victims Unit) a ve filmech jako „Parfém“ (Perfume, 2001) a „Nevěrná“ (Unfaithful, 2002), kde si zahrála menší postavu barmanky. Skutečný zlom v její filmové kariéře nastal v roce 2002, kdy získala významnější roli v dramatickém filmu „Právníci“ (Changing Lanes), kde si zahrála po boku Bena Afflecka a Samuela L. Jacksona. Následovaly další role, například v akčním snímku „Italské prázdniny“ (The In-Laws, 2003) a v dramatu „Vánoční návštěvník“ (Winter Solstice, 2004).
Rok 2005 se ukázal jako klíčový pro její kariéru. Zahrála si ve dvou výrazných filmech: nejprve v thrilleru „Constantine“, kde se objevila po boku Keanu Reevese, a poté v kritikou oceňované neo-noir komedii „Kiss Kiss Bang Bang“. V tomto filmu ztvárnila roli Harmony Faith Lane a sdílela plátno s Robertem Downeym Jr. a Valem Kilmerem. Její výkon v „Kiss Kiss Bang Bang“ jí přinesl širší uznání a naznačil její potenciál pro komplexnější role. Tento úspěch jí pomohl získat roli Julie Meade, snoubenky Ethana Hunta, v akčním trháku „Mission: Impossible III“ (2006). Následovala další významná role v kriminálním dramatu Bena Afflecka „Sbohem, baby“ (Gone Baby Gone, 2007), kde ztvárnila matku unesené dívky. V roce 2008 si zahrála v akčním thrilleru „Oko dravce“ (Eagle Eye) po boku Shii LaBeoufa a v romantické komedii „Protivné slečny“ (Made of Honor). Další zajímavou roli měla v sci-fi thrilleru „Zdrojový kód“ (Source Code, 2011), kde si zahrála po boku Jakea Gyllenhaala.
Michelle Monaghan prokázala svou všestrannost nejen ve filmech, ale i v televizi. V roce 2014 získala jednu z hlavních rolí v první sérii kritikou velmi ceněného seriálu „Temný případ“ (True Detective). Její ztvárnění Maggie Hart, manželky detektiva Rusta Cohlea (Matthew McConaughey), jí přineslo nominaci na Zlatý glóbus. Po úspěchu v „Temném případu“ se vrátila k filmové tvorbě. Objevila se v dramatu „Patriots Day“ (2016), které se zaměřilo na bombový útok na Bostonském maratonu, a v roce 2018 se vrátila do role Julie Meade v úspěšném pokračování „Mission: Impossible – Fallout“. V roce 2020 si zahrála v mysteriózním dramatickém seriálu „Mesiáš“ (Messiah) pro Netflix a ve stejném roce se objevila v hororovém filmu „Čarodějky: Nová generace“ (The Craft: Legacy). V roce 2022 ztvárnila hlavní roli ve filmu „Chůva“ (Nanny) a v roce 2023 se objevila v akčním filmu „Zámek“ (The Locksmith). Mezi její další nedávné projekty patří seriál „Bad Monkey“ pro Apple TV+.
Michelle Monaghan je od roku 2005 vdaná za grafického designéra Petera Whitea, kterého potkala na večírku v roce 2000. Společně mají dvě děti: dceru Willow Katherine White, narozenou v roce 2008, a syna Tommyho Francise Whitea, narozeného v roce 2013. V roce 2011 Michelle veřejně promluvila o své zkušenosti s rakovinou kůže, konkrétně melanomem, který jí byl diagnostikován v roce 2010. Podstoupila operaci a úspěšně se zotavila. Od té doby se stala zastánkyní osvěty o prevenci a včasné detekci rakoviny kůže. Je známá svým smyslem pro humor a schopností přecházet mezi dramatickými a komediálními rolemi. Kromě herectví se ráda věnuje charitativním aktivitám a podporuje různé organizace zaměřené na zdraví a vzdělávání.