Nata in California, dopo gli studi d'arte, durante gli anni settanta si trasferì a New York e frequentò gli ambienti delle avanguardie prima di dedicarsi al cinema. Nel 1978 girò il suo primo film, il cortometraggio Set-Up, subito accolto con interesse dai festival statunitensi ed europei. L'anno successivo si laureò alla Columbia's Film School e divenne membro del gruppo culturale inglese di avanguardia Art and Language. L'esordio nel lungometraggio avvenne però qualche anno più tardi con The Loveless (1983), ambientato tra i "bikers" (i motociclisti) della provincia americana degli anni cinquanta.
Il desiderio di uscire dai limiti delle produzioni indipendenti e di raggiungere un pubblico più vasto indusse la Bigelow a tentare la strada delle major hollywoodiane, ma fu solo nel 1987 che riuscì a portare a termine il secondo lungometraggio, Il buio si avvicina, atipico horror contemporaneo dalle sfumature "esistenziali". I positivi riscontri ottenuti dal film non contribuirono tuttavia ad agevolare la realizzazione dei progetti successivi: l'uscita di Blue Steel - Bersaglio mortale (1990), un thriller imperniato sulla figura di una donna-poliziotto (interpretata da Jamie Lee Curtis), si deve in gran parte all'interessamento e alla coproduzione di Oliver Stone.
A proprio agio con i ritmi e le cadenze del film d'azione, nel 1991 colse il suo primo successo con Point Break - Punto di rottura, vicenda ad alta tensione a base di inseguimenti e rapine in banca, con i giovani Keanu Reeves e Patrick Swayze; il film, ambientato fra i surfisti della California, divenne rapidamente un cult movie e oggi è considerato uno dei film iconici degli anni 90[2][3]. Dopo aver firmato, ancora su proposta di Stone, un episodio della miniserie televisiva Wild Palms (1993), la cineasta californiana diresse un altro thriller, questa volta co-sceneggiato e coprodotto dall'ex marito James Cameron, il visionario Strange Days (1995), un avvincente noirdistopico non privo di contenuti morali e metaforici. Dopo una lunga pausa, la Bigelow è tornata dietro alla macchina da presa per girare Il mistero dell'acqua (2000), insolita e raffinata pellicola interpretata da Sean Penn ed Elizabeth Hurley, seguita da K-19 (K-19: The Widowmaker, 2002), costoso film indipendente che ricostruisce le sfortunate vicende del sottomarino sovietico K-19, avvenute nel 1961, e interpretato da Harrison Ford e Liam Neeson.
Nel 2012 gira un altro film di ambientazione militare, Zero Dark Thirty, sull'operazione militare americana che portò all'individuazione e all'uccisione di Osama bin Laden nel 2011. Il film ottenne un buon successo di critica, ricevendo cinque candidature agli Oscar 2013 e vari premi e candidature ai BAFTA, ai Golden Globe e ai Satellite Award.[5]
