È una delle più grandi giovani stelle australiane. E’ nota sia a livello locale che internazionale. E’ tra gli interpreti della premiata serie Tv “Damages”, dove recita al fianco di Glenn Close e Ted Danson. La sua interpretazione nel ruolo di Ellen Parsons, le ha fatto ottenere una nomination ai Golden Globe Award nel 2008. Byrne sarà la protagonista del film di prossima uscita The Tender Hook di Jonathan Ogilvie, con Hugo Weaving e Matthew Le Nevez. Presto la vedremo anche in Adam, con Hugh Dancy. Nel 2007, Byrne è apparsa al fianco di Cillian Murphy nel film drammatico\fantascientifico Sunshine, di Danny Boyle; in 28 Settimane Dopo di Juan Carlos Fresnadillo, con Robert Carlyle; e nella black comedy Just Buried, presentata al Festival del Cinema di Toronto del 2007. Byrne ha recitato nel ruolo della Duchessa di Polignac in Marie Antoinette di Sofia Coppola; il film è stato presentato al Festival del Cinema di Cannes del 2006 ed è stato proiettato al New York Film Festival. Sempre nel 2006, Byrne è stata la co-protagonista del dramma indipendente The Dead Girl di Karen Moncrieff, nominato agli Independent Spirit Award come Migliore Film. Tra gli altri film interpretati da Byrne ricordiamo, Star Wars: Episodio II – L’Attacco dei Cloni; Il thriller Appuntamento a Wicker Park, di Paul McGuigan, con Josh Hartnett; l’acclamato I Capture the Castle; e The Tenants di Danny Green, con Dylan McDermott. Byrne è apparsa nell’epico Troy di Wolfgang Petersen, al fianco di Brad Pitt, Orlando Bloom e Peter O’Toole. In seguito, è tornata a lavorare assieme ad O’Toole nel film drammatico della BBC “Casanova”. La carriera cinematografica di Byrne è iniziata in Australia, con un ruolo nel drammatico Two Hands, con Heath Ledger. Byrne, in seguito, ha recitato in La Dea del 1967 di Clara Law; per questo ruolo ha ottenuto il premio come Migliore Attrice al Festival del Cinema di Venezia. Byrne è anche un’apprezzata attrice di teatro, è apparsa in ruoli da protagonista nelle produzioni di “La Dispute” e di “The Three Sisters”, per la prestigiosa Sydney Theatre Company.