Nach ihrem Abschluss an der American Academy of Dramatic Arts in Pasadena, Kalifornien, beginnt Carrie-Anne Moss eine Karriere als Model, die sie auch nach Europa führt. Als sie für eine Schauspielrolle ausgewählt wird, kehrt sie sofort nach Los Angeles zurück, um sich dem Cast der Krimiserie „Die Verschwörer - Im Namen der Gerechtigkeit“ anzuschließen. Bald darauf gibt sie ihr Kinodebüt in dem Action-Thriller „Flashfire“ an der Seite von Billy Zane, gefolgt vom Mystery-Krimi „The Soft Kill“ mit Brion James.
1999 wird sie von den Wachowskis in ihrer wohl denkwürdigsten Rolle besetzt: der weiblichen Hauptfigur in der „Matrix“-Reihe. Trinity ist eine vielseitig begabte Hackerin mit erstaunlichen Fähigkeiten in Bezug auf Schusswaffen und Nahkampf, die sie in dem von Neo geführten Fight gegen die Matrix unentbehrlich machen. Alle drei Teile der Saga sind wahre Blockbuster und machen Carrie-Anne zum Weltstar, sodass sie reichlich Angebote auch für andere Projekte erhält.
Moss spielt daraufhin mit John Hurt in dem Actioner „New Blood“ und wechselt 2000 in „Chocolat... ein kleiner Biss genügt“ das Sujet. In der Romanze spielt sie Caroline Clairmont, eine fürsorgliche Mutter und tritt mit Juliette Binoche und Johnny Depp auf. Es ist ein arbeitsreiches Jahr für die Schauspielerin, da sie auch in der Komödie „Second Chance - Alles wird gut“ zu sehen ist und mit einer entscheidenden Rolle im Thriller „Memento“ mitwirkt, für den sie einen Independent Spirit Award erhält. Mit „Red Planet“ taucht sie an der Seite von Val Kilmer schließlich erneut in die Welt der Science Fiction ein.
Von 2004 bis 2012 dreht Moss eine Reihe von Filmen, aber keinem davon ist der erhoffte, große Erfolg beschieden. In dieser Zeit kann die Schauspielerin allerdings an der Seite vieler bekannter Kolleg*innen wie Glenn Close („Glück in kleinen Dosen“), Sigourney Weaver („Snow Cake“) oder Alec Baldwin und Jeff Goldblum („Mini's First Time - Mein erster Mord“) Erfahrungen sammeln. Letztlich ist es allein D.J. Carusos Thriller „Disturbia“ mit Shia LaBeouf, der ein größeres Publikum findet.
2008 spielt sie zusammen mit Ryan Reynolds, Julia Roberts und Willem Dafoe in „Zurück im Sommer“, der trotz seiner beeindruckenden Besetzung nur sehr mittelmäßige Kritiken erhält. Bald darauf beginnt sie in „Unthinkable“ als FBI-Agentin, an der Seite von Samuel L. Jackson, einen Wettlauf gegen die Zeit, um Leben zu retten.
2012 wirkt Moss dann wieder in einer echten Großproduktion mit: „Silent Hill 2: Revelation 3D“, in dem sie eine furchterregende Priesterin verkörpert. Das Ganze gemeinsam mit Kit Harrington, den sie zwei Jahre später in „Pompeii 3D“ erneut trifft. Es folgen weitere Horrorfilme wie „Compulsion“ und „Frankenstein - Das Experiment“. In „Vegas“ (2012)“ spielt Carrie-Anne mit Dennis Quaid und Michael Chiklis eine der Hauptrollen. Jedoch wird die Krimi-Serie nach nur einer Staffel abgesetzt.
2015 zählt die Schauspielerin zum Cast der Hit-Serie „Marvel's Jessica Jones“. Netflix bietet ihr hier die Chance, eine weibliche Version des aus den Comic-Vorlagen bekannten Anwalts Jeri Hogarth zu spielen. Auf diese Art verkörpert sie die erste lesbische Figur im Marvel-Universum. In der gleichen Rolle hat sie zudem Auftritte in „Marvel's Daredevil“, „Marvel's Iron Fist“ und „Marvel's The Defenders“. 2016 schlüpft Moss für die zweite Staffel von „Humans“ in den Kittel von Dr. Athena Morrow. Ähnlich wie bei „Matrix“ stellen auch hier Maschinen das Leben der Menschen auf den Kopf. Außerdem ist sie als FBI-Agentin in der norwegischen Serie „Kommissar Wisting“ sowie als strenge Matriarchin in der zweiten und finalen Staffel der US-Thriller-Reihe „Tell Me A Story“ zu sehen.
Im Jahr 2021 nimmt die gebürtige Vancouverin ihre bekannteste Figur Trinity in „Matrix 4: Resurrections“, dem vierten Teil der 1999 begonnenen Saga, wieder auf. Bei dem Sci-Fi-Spektakel wird sie von Lana Wachowski dieses Mal im Alleingang inszeniert. Im Anschluss ist Moss in dem Comedy-Drama „Chocolate Lizards“ als Teil eines Ensemble-Casts zu sehen, dem neben ihr noch Thomas Haden Church, Rudy Pankow, Bruce Dern und Julio Cesar Cedillo angehören.
Carrie-Ann Moss ist seit 1999 mit dem kanadischen Schauspieler Steven Roy verheiratet, mit dem sie zwei Söhne und eine Tochter hat. Sie lebt in Los Angeles.