Salma es hija de una familia adinerada. Su madre, Diana Hayek, es cantante de ópera y su padre, el libanés Sami Hayek, es empresario del sector petrolífero. Tiene un hermano menor llamado Sami. Los abuelos paternos son libaneses y los maternos españoles. Junto a su hermano, se crió en el seno de una familia católica devota. De pequeña fue a un internado de monjas en Louisiana pero la echaron por hacer gamberradas. Terminado el instituto, volvió a Estados Unidos para vivir con una tía de Houston hasta que cumplió los 17 años. En aquella época, cuando se ponía el bikini, que en México le tenían prohibido, no sólo atraía la mirada de sus amigos sino también la de sus respectivos padres.

De vuelta a su país empieza a estudiar relaciones internacionales. Muy pronto le proponen rodar algunos spots para televisión y, con la oposición de su familia, decide abandonar la Universidad para recibir clases de interpretación. Su primer trabajo profesional fue la obra infantil "Aladino", y allí la vio un productor que le ofreció un papel en la que sería su primera telenovela, "Nuevo Amanecer". Su papel principal en la telenovela "Teresa" la convierte en una estrella de la televisión mexicana. Pero cuando en 1991 regresa a la "tierra prometida", esta vez para trabajar, se encuentra con el único reconocimiento de los vigilantes de parking de Los Ángeles. En México dijeron de todo: que se había tenido que ir por ser la amante del presidente Salinas de Gortari, que se había vuelto loca...

En Los Angeles comenzó a cursar estudios en la escuela de Stella Adler y a acudir a numerosas audiciones en busca de un papel. Así consiguió una pequeña aparición en la película de Allison Anders "Mi vida loca" (1993).

Después de este papel secundario, continuó con las audiciones hasta que Robert Rodríguez la vio mientras la entrevistaban en un canal de habla hispana. El director quedó encantado con ella y la llamó de inmediato para ofrecerle el papel femenino protagonista de "Desperado" (1995), la secuela de "El Mariachi". Ese mismo año volvió a México para rodar "El callejón de los milagros" a las órdenes de Jorge Fons y recibe una nominación al premio Ariel.

En 1996 interpreta el rol de Juana Cata en la telenovela "El vuelo de la Águila".

El director Robert Rodríguez la llama nuevamente para hacer "Four Rooms" y "Abierto hasta el amanecer", junto a George Clooney, y en la que tuvo que superar su verdadero pánico a las serpientes para poder rodar una de las escenas más recordadas del film. "Ante todo diré que antes de hacer esta película, lo que más pavor me daba en la vida eran las víboras, pánico auténtico, de verdad. Intenté convencer a Robert para que cambiara de idea, pero me dijo que o lo hacía con la serpiente o le daba el papel a Madonna. De manera que durante meses hice de todo: psicoanálisis, meditación, trabajo con sueños, consultas con brujos, vudú... todo para quitarme ese miedo. Al final encontré a una persona que me lo quitó en una única sesión. Ahora estoy lista para ir en busca de Tarzán. Bailar con una pitón albina de muchos metros acaba siendo una experiencia muy interesante, porque es ella la que te lleva el ritmo".

En 1998 intervino en "The Faculty" y en "54", y al año siguiente obtuvo un merecido reconocimiento de taquilla y de crítica por su papel en la comedia de Kevin Smith, "Dogma". También ese año rodó una película de gran presupuesto, "Wild Wild West", el film dirigido por Barry Sonnenfeld, y en el que estaba acompañada por Will Smith, Kevin Kline y Kenneth Branagh. En 1999 también volvió al cine con acento latino al rodar "El coronel no tiene quien le escriba", de Arturo Ripstein.

En el 2000 la pudimos ver en la comedia independiente "Chain of Fools", y en la película de Mike Figgis "Time Code". También la vimos en "Frida", en la que se relata la vida de la famosa pintora mexicana Frida Kahlo. En el mismo año también recibe el premio Blockbuster Entertainment a la actriz favorita en películas de acción por su participación en "Wild Wild West".

Fue novia de Richard Crenna Jr., Edward Atterton y del actor Edward Norton. Actualmente su pareja es el empresario francés François-Henri Pinault, cuya firma es propietaria de Gucci e Yves Saint Laurent. Tuvieron una hija en Septiembre de 2007 a la que llamaron Valentina Paloma.

Entre sus últimas películas destacan el western "Bandidas" (2005), donde actúa junto a la española Penélope Cruz; el drama "Pregúntale al viento" (2006) junto a Colin Farrell y Donald Sutherland; y el thriller "Corazones solitarios" (2006), donde la vemos junto a John Travolta, James Gandolfini, Jared Leto y Laura Dern...