Si è fatta un nome recitando in serie televisive sin da quando aveva 17 anni. Cuoco è stata Bridget Hennessey, l'ultima figlia di John Ritter, nella serie della ABC 8 Semplici Regole, e attualmente è nell'acclamata serie The Big Bang Theory della CBS, prodotta da Chuck Lorre ( Due uomini e Mezzo). Recentemente ha completato la produzione del film indipendente The Last Ride.
Cuoco è stata anche un personaggio della serie Tv della WB's Streghe insieme a Alyssa Milano, Rose McGowan and Holly Marie Combs. Ha fatto delle apparizioni come ospite in Ladies Man, Complete Savages, My So-Called Life e Northern Exposure. La Cuoco era la protagonista dei telefilm per tutta la famiglia della ABC Crimes of Fashion e The Hollow, ed è apparsa nella miniserie televisiva della NBC 10,5, un thriller sismico su un terremoto che distrugge lo stato di Washington e della California del Nord. Altri ruoli in film per la TV della Cuoco sono Alley Cats Strike, Toothless, Attack of the 50 Ft. Woman e Growing Up Brad, ed è apparsa nella miniserie della ABC Mr. Murder. In aggiunta Cuoco ha prestato la sua voce per la serie animata Disney Channel Brandy & Mr. Whiskers e per la serie della WB's LooneyToones Unleashed. Cuoco ha iniziato a recitare da molto giovane, come attrice di spot e modella. Il suo primo ruolo televisivo fu in Quicksand: No Escape, del 1992, con Donald Sutherland. Ottenne il suo primo ruolo cinematografico ad otto anni in Virtuosity con Denzel Washington e Russell Crowe. Altri credits cinematografici includono Killer Movie, Romantici Equivoci, Can't Be Heaven e Le regole del gioco. È anche apparsa sul palcoscenico nella produzione di una compagnia teatrale negli spettacoli 'Fiddler on the Roof' e 'Annie'. Nel 2011 presta la sua voce al personaggio Sam al film d'animazione Hop e nel 2015 doppia invece Eleanor in Alvin Superstar - Nessuno ci può fermare.
Nel suo tempo libeo, la Cuoco è una raffinata giocatrice di tennis e le piace praticare escursionismo, corsa, equitazione e andare in palestra, oltre a stare con i suoi cani da salvataggio. È anche coinvolta nella beneficenza all'Elizabeth Glaser Pediatric AIDS Foundation, nell'Animal Avengers e nel trattamento etico degli animali da parte delle Persone. Cuoco risiede attualmente a Los Angeles.