Nata alle Hawaii ma cresciuta nel Nord Virginia, ha vissuto con il padre fin dall'età di cinque anni, da quando sua madre se ne andò a Londra per tentare una vita da cantante.
Ottiene una specializzazione in Inglese all'Università di Bernard a New York e successivamente si trasferisce alla Southern Methodist University dove si laurea in recitazione.
Per intraprendere la carriera di attrice professionista si trasferisce a Los Angeles dove ottiene partecipazioni in numerosi telefilm e sitcom dei primi anni '90 come Caroline in the City e Law and Order. Ottiene grande celebrità e una nomination ai Golden Globes soprattutto grazie alla serie tv Gilmore Girls - Una mamma per amica dove interpreta il ruolo principale di Lorelai Gilmore, la sarcastica madre trentenne della teenager Rory.
Ottiene la prima parte sul grande schermo in Nightwatch (1997) di Ole Bornedal e l'hanno successivo è accanto a Renee Zellweger nel film di Carl Franklin, La voce dell'amore.
La Graham dimostra grande versatilità sia in ruoli drammatici che nelle commedie romantiche, un esempio è la sua prova in
Sweet November di Pat O'Connor o in Chasing destiny, film del 2001 di Tim Boxell.
Il 2003 la vede protagonista della commedia nera prodotta dai fratelli Cohen, Babbo Bastardo, insieme ad un cattivissimo Billy Bob Thornton; mentre nel 2004 compare nel film di Chris Hall Lucky 13 e in Seeing other people di Wallace Wolodarsky.
Adam Shankman la dirige nel 2005 nella divertente commedia, Missione Tata, che la vede recitare accanto al marine/baby sitter Vin Diesel.