Morena Silva de Vaz Setta Baccarin se narodila 2. června 1979 v Rio de Janeiru v Brazílii. Její matka, Vera Setta, je uznávaná herečka, a otec, Fernando Baccarin, pracoval jako novinář. Když bylo Moreně deset let, rodina se přestěhovala do Spojených států, konkrétně do New Yorku. Tento přesun byl způsoben otcovou prací. V New Yorku navštěvovala prestižní New York City Lab School for Collaborative Studies, kde se její spolužáci stali například Claire Danes nebo herec a režisér Ben McKenzie, se kterým se později znovu setkala a provdala se za něj. Po střední škole Morena pokračovala ve svém vzdělání na Juilliard School, jedné z nejprestižnějších uměleckých škol na světě. Byla součástí dramatu divize Group 29 v letech 1996 až 2000. Během studií na Juilliardu se dále zdokonalovala v herectví a připravovala se na profesionální kariéru. Díky svému brazilskému původu a výchově ve Spojených státech hovoří plynně portugalsky a anglicky.
Po absolvování Juilliardu se Morena Baccarin rychle pustila do herecké kariéry. Její filmový debut se odehrál v roce 2001 ve filmu „Parfém“ (Perfume), nezávislém snímku, který jí poskytl první zkušenosti před kamerou. Ve stejném roce získala i jednu z hlavních rolí v další nezávislé produkci s názvem „Way Off Broadway“. Tyto rané role jí pomohly získat uznání v uměleckých kruzích. Následovaly menší role v televizních seriálech, které jí umožnily proniknout do světa televize. Přestože její jméno nebylo okamžitě všeobecně známé, postupně si budovala portfolio a získávala cenné zkušenosti, které jí pomohly v dalším rozvoji kariéry a připravily ji na větší a výraznější role v budoucnu.
Skutečný průlom v kariéře Moreny Baccarin nastal v roce 2002, kdy byla obsazena do role Inary Serry v kultovním sci-fi seriálu „Firefly“. Ačkoliv byl seriál po jedné sezóně zrušen, získal si obrovskou fanouškovskou základnu a stal se kultovním fenoménem. Morena si roli Inary zopakovala v roce 2005 v navazujícím filmu „Serenity“, který uzavřel příběh seriálu. Tato role ji etablovala jako výraznou tvář sci-fi žánru. Následovala další významná role v populárním sci-fi seriálu „Stargate SG-1“, kde se v letech 2006 až 2007 objevila jako postava Adrie. Během této doby se také objevila v epizodních rolích v seriálech jako „Justice“, „Heartland“ a „Dirt“. Morena se navíc začala věnovat hlasovému herectví, propůjčila svůj hlas postavám v animovaných seriálech jako „Justice League Unlimited“ a „Batman: The Brave and the Bold“, což rozšířilo její herecký záběr.
V letech 2009 až 2011 získala Morena Baccarin hlavní roli v remaku sci-fi seriálu „V“ stanice ABC. Ztvárnila postavu Anny, chladnokrevné a manipulativní vůdkyně mimozemské rasy, která přichází na Zemi. Tato role jí přinesla další vlnu popularity a upevnila její pozici v žánru sci-fi, zároveň ji však představila širšímu publiku. Její výkon v roli Anny byl chválen pro její schopnost ztvárnit složitou a antagonistickou postavu s přesvědčivostí. Během tohoto období se také objevila v hostujících rolích v jiných populárních seriálech, jako byly „Medium“ a „The Mentalist“, čímž prokázala svou všestrannost a schopnost adaptovat se na různé typy projektů a žánrů.
Jedna z nejvýznamnějších rolí v kariéře Moreny Baccarin přišla v roce 2011, kdy byla obsazena do dramatického seriálu „Homeland“. V letech 2011 až 2013 ztvárnila postavu Jessicy Brody, manželky vracejícího se válečného zajatce. Její výkon v tomto kriticky oceňovaném seriálu jí vynesl široké uznání a nominaci na cenu Emmy za nejlepší herečku ve vedlejší roli v dramatickém seriálu v roce 2013. „Homeland“ ji představil mezinárodnímu publiku mimo okruh fanoušků sci-fi a potvrdil její talent jako dramatické herečky. Kromě práce na „Homeland“ pokračovala i v oblasti hlasového herectví, propůjčila svůj hlas postavám v animovaných filmech jako „Son of Batman“ a „Batman: Bad Blood“, což podtrhlo její univerzálnost.
V letech 2015 až 2019 se Morena Baccarin vrátila na televizní obrazovky v úspěšném seriálu „Gotham“, který mapuje raná léta Batmana. Zde ztvárnila postavu Dr. Leslie „Lee“ Thompkins, lékařky a jedné z hlavních ženských postav. Právě na natáčení „Gothamu“ se znovu setkala a navázala vztah se svým bývalým spolužákem z Juilliardu, Benem McKenziem. Paralelně s „Gothamem“ dosáhla Morena významného úspěchu v mainstreamovém filmu. V roce 2016 si zahrála roli Vanessy Carlysle, přítelkyně titulního hrdiny, v komiksovém hitu „Deadpool“. Film se stal obrovským komerčním úspěchem a její role byla dobře přijata. Roli Vanessy si zopakovala v pokračování „Deadpool 2“ v roce 2018. Její přítomnost v těchto komiksových adaptacích potvrdila její schopnost působit v různých žánrech a přitahovat široké publikum. Dále pokračovala v hlasovém herectví, například v seriálech „The Flash“ a „SpongeBob SquarePants“.
V roce 2019 se Morena Baccarin objevila ve filmu „Framing John DeLorean“ a v roce 2020 si zahrála po boku Gerarda Butlera v katastrofickém filmu „Greenland“. V roce 2022 získala hlavní roli v seriálu „The Endgame“ na stanici NBC, kde ztvárnila brilantní mezinárodní zločinkyni. Očekává se, že se vrátí jako Vanessa Carlysle ve filmu „Deadpool 3“, který má mít premiéru v roce 2024.
Co se týče jejího osobního života, Morena Baccarin se v listopadu 2011 provdala za režiséra a producenta Austina Chicka. Pár přivítal syna Juliuse Chicka v říjnu 2013. V červenci 2015 Austin Chick podal žádost o rozvod, který byl finalizován v březnu 2016. Během rozvodového řízení se Morena Baccarin začala objevovat s hercem Benem McKenziem, se kterým se seznámila na natáčení seriálu „Gotham“. V březnu 2016 se jim narodila dcera, Frances Laiz Setta Schenkkan (Schenkkan je Benovo příjmení). Morena a Ben se vzali 2. června 2017, v den jejích narozenin. V březnu 2021 se jim narodil druhý potomek, syn Arthur Elias Setta Schenkkan. Morena Baccarin je aktivní také mimo herectví; je například zastánkyní Úřadu Vysokého komisaře OSN pro uprchlíky (UNHCR) a angažuje se v charitativní činnosti.