Mulligan est née à Londres, et a passé son enfance en Allemagne. Elle a étudié à la Woldingham School, dans le Surrey, où elle est initiée à la scène, qui deviendra sa passion.
Elle a commencé sa carrière avec le rôle de Kitty Bennett en 2005 dans l'adaptation cinématographique du roman de Jane Austen, Orgueil et Préjugés, après avoir écrit une lettre directement à la production. Elle est apparue en 2006 dans la série britannique The Amazing Mrs Pritchard. En 2007, elle joue dans la pièce de théâtre La Mouette, et joue un second rôle dans le drame télévisuel d'Isabelle Thorpe, Northanger Abbey. La même année, elle incarne le personnage principal dans un épisode de Doctor Who (Les Anges pleureurs). Elle partage l'affiche du téléfilm My Boy Jack, avec Daniel Radcliffe et Kim Cattrall.
En 2009, elle est apparue dans le film
Public Enemies aux côtés de Johnny Depp et Marion Cotillard, ce dernier fut récompensé au Festival du film de Sundance. La même année sort Une éducation, qui lui vaut un BAFTA Award de la meilleure actrice en 2010 ainsi qu'une nomination à l'Oscar de la meilleure actrice. Elle joue de nouveau avec Keira Knightley dans Never Let Me Go. En 2010, elle pose sa voix sur la chanson de Belle and Sebastian "Write About Love" de l'album du même titre.
En 2009, elle débute une relation avec l'acteur
Shia Labeouf, rencontré sur le tournage du film Wall Street 2. Ils se séparent en octobre 2010.