Su madre era profesora y en su infancia tuvo que cambiar a menudo de residencia debido al trabajo de su padre, agente del F.B.I. Tiene una hermana llamada Aimee que también es actriz.

Increiblemente tímida, Heather sorprendió a todos cuando, siendo aún muy joven, comenzó a interesarse por la interpretación, lo que deterioró bastante la relación con sus padres que no aceptaron bien su vocación. Su primer papel fue en una representación escolar de "El Mago de Oz" en la que daba vida a Dorothy.

Al terminar el instituto hizo las maletas y se trasladó a Los Ángeles, donde muy pronto descubrió que su talento no era garantía para conseguir un empleo. Para ganar algún dinero hizo algunos trabajos, incluido uno como acomodadora en el Hollywood Bowl, antes de debutar en 1988 en la película "License to Drive" como objeto de deseo de Corey Haim.

Al año siguiente su carrera dio un importante salto al conseguir un papel de adicta a las drogas en "Drugstore Cowboy", la aclamada película del director Gus Van Sant. A pesar de los comentarios positivos por su actuación, los proyectos de calidad se hicieron esperar. Sin embargo, en 1990 consiguió un papel en la serie de televisión "Twin Peaks" y al año siguiente protagonizó el telefilme "O Pioneers!".

En 1992 tuvo un papel secundario en "Diggstown" y luego intervino en filmes de muy variada calidad como "Six Degrees of Separation" o "Don`t Do It". Su carrera despegó de nuevo en 1996 con su pequeño pero recordado papel en "Swingers" como la chica de los sueños de Jon Favreau.

Un año después la vimos en "Scream 2", un papel por el que apareció en la portada de Rolling Stones como una de las actrices jóvenes más sexys, y eso antes de interpretar a una actriz porno en la película "Boogie Nights".

En 1997 protagonizó la cinta de Gregg Araki "Nowhere" y la película "Un chico para dos" junto a Robert Downey Jr. "Lost in Space" fue la primera película de gran presupuesto en la que actuó, aunque tuvo más éxito con otras dos cintas: "Bowfinger" y la secuela de Austin Powers "Austin Powers: El espía seductor".

Aunque Heather ha participado en películas comerciales, también ha actuado en algunas películas independientes. Algunas de ellas han sido alabadas por la crítica como por ejemplo "El gurú del sexo", y otras no han sido tan reconocidas como "Suavemente me mata".

Heather fue nombrada por la revista "People" una de las 50 personas más guapas del 2001.

Ella además también ha realizado cameos en la series "Sexo en Nueva York" (haciendo de ella misma), como personaje en la cuarta temporada de la serie "Scrubs" y como profesora en la serie "Arrested Development".

En 2005 Heather Graham fue elegida imagen de la marca Garnier para promocionar sus productos de cuidado del cabello. También fue imagen de Skyy Vodka, para la cual la fotografiaron en 1993 y cuyo anuncio aparece todavía en algunas revistas de Estados Unidos.

Ha trabajado también en la serie "Cinco razones (para no salir contigo)" (2006), que fue cancelada rápidamente...