És filla de Gary Carmine Cuoco (agent immobiliari) i de Layne Ann Wingate, i té una germana més petita anomenada Briana. Va aconseguir el títol de batxillerat als setze anys. Actualment viu a San Fernando Valley (Califòrnia) amb els seus dos gossos Duke i Petey, pastor alemany i Chihuahua-Dachshund respectivament.
Carrera
Va començar a treballar com a model i actriu d'anuncis comercials als sis anys. El seu primer paper important va ser als set anys (1992) en la pel·lícula Quicksand: No Escape juntament amb Donald Sutherland i Tim Matheson. Posteriorment va actuar en la pel·lícula Growing Up Brandy (2000), on va aconseguir sobresortir, fet que li permeté d'actuar en altres sèries de televisió. El 2004 va aconseguir el seu millor paper a 8 Simple Rules... for Dating My Teenage Daughter com a actriu secundària.
Recentment ha participat en la vuitena i última temporada de la sèrie "Charmed" interpretant a Billie Jenkins, una jove aprenent de bruixa.
La seva veu va ser utilitzada pel personatge de Brandy en la sèrie animada Brandy and Mr. Whiskers el 2004 i a la sèrie Bratz Rock Angelz el 2006. També va aparèixer en un capítol de MTVPunk'd conduït per l'actor Ashton Kutcher i va tenir un petit paper en la sèrie de televisió Prison Break.
L'any 2005 va quedar en la posició 78 del rànquing "FHM 100 Sexiest Women 2005" de la revista FHM dels Estats Units.
De 2007 a 2019 va treballar en la sèrie de televisió The Big Bang Theory on interpreta Penny, una noia maca veïna d'un grup d'amics científics i molt geeks.