Kristen Bell est née à Huntington Woods, dans le Michigan, une banlieue de Detroit. Américaine d'origine polonaise et irlandaise, Kristen Bell est la fille de Tom Bell, (directeur de journal télévisé pour la WOAI-TV à San Antonio) et d'une infirmière Lorelei Annie. Ses parents ont divorcé quand elle avait 2 ans, Kristen a ainsi 2 demi-soeurs, Sara et Jody, du deuxième mariage de son père et 4 demis-frères et soeur issus du deuxième mariage de sa mère à Jean Raymond Avedian, Laura, John, Matt Avedian, et Megan. Bell a un strabisme , ce qui affecte son oeil droit. Elle l'a hérité de sa mère, qui l'avait corrigé quand elle était enfant. Bell affirme que si elle n'a pas assez de sommeil, cela aggrave le mal. Elle appelle son oeil droit "Wonky".
À l'age de quatre ans, elle demande à sa mère d'utiliser son deuxième prénom car elle n'aimait pas son prénom. Elle utilise donc le prénom de Annie jusqu'au lycée. Elle fait ses études à l'école élémentaire de Burton à Huntington Woods. Elle tient son premier rôle (Dorothy Gale) dans la comédie musicale de son collège Le Magicien d'Oz et finit par passer son premier casting à l'âge de onze ans. En 1992, Kristen passe sa première audition et remporte un double rôle, celui d'une banane et d'un arbre dans une production de théâtre de Detroit. Sa mère s'installe avec un agent lorsqu'elle a 13 ans, ce qui lui permet d'apparaitre dans des publicités locales de Detroit aussi bien à la télévision que dans des journaux. Elle commence alors à prendre des cours de comédie avant de prêter ses traits à Sally Wister dans The History Channel's Choosing Sides: Young Voices on the Revolution dans une pièce de théâtre au Hall visitors center de Philadelphie.
Juste avant de passer son diplôme au lycée, ses parents décident de la retirer du système scolaire public et lui font poursuivre ses études dans une institution privée, Le lycée catholique Shrine, près de Royal Oak, où elle participa aux clubs de théâtre et de musique. Durant ses années de lycée, elle participe à de nombreuses pièces de théâtre et est même nommée "la fille la plus jolie" dans le livre de fin d'année de son lycée par le vote de ses camarades de promotion.
À l'age de 17 ans, sa meilleure amie, qu'elle avait rencontré à 11 ans à la compagnie de théâtre de Detroit, est tuée dans un accident de voiture. Kristen dira plus tard que ce fut à la fois "la pire et la meilleure chose qui me soit arrivé. Lorsque l'on se rend compte qu'il ne faut pas prendre les gens pour acquis, on vit une vie beaucoup plus heureuse".
Peu de temps après l'obtention de son diplôme au lycée, Kristen déménage à New York et prend des cours d'art dramatique à la Tisch School of the Arts de New York. En 2001, lors de sa dernière année à l'université, elle obtient le rôle de Becky Thatcher dans la pièce les Aventures de Tom Sawyer à Broadway, puis se retrouve face à Liam Neeson dans The Crucible. Elle débute ensuite timidement sur grand écran en faisant de la figuration.
Pour son premier rôle dans le film Pootie Tang en 1998, sa scène est coupée au montage et n'apparait que pendant les crédits du film. En 2001, elle quitte l'université et commence à apparaître dans des petits rôles au cinéma. Elle auditionne ensuite pour obtenir le rôle de Chloe Sullivan dans la série Smallville, rôle qui sera finalement confié à Allison Mack. En 2002, elle joue aux côtés de Liam Neeson dans une version de The Crucible à Broadway, puis part s'installer à Los Angeles, en Californie en 2002.
Elle apparait alors dans plusieurs séries à la télévision où elle se fait enfin remarquer mais a du mal à obtenir un rôle régulier. Elle joue notamment dans The Shield, ou elle joue le rôle d'une adolescente victime d'abus sexuel, Nos plus belles années et Deadwood ou encore Everwood. . Elle auditionne ensuite pour la série Skin sans succès. En 2003, elle obtient enfin un premier rôle dans le téléfilm Un été avec mon père pour la chaîne Hallmark Channel. Sa prestation dans ce film lui vaut des critiques élogieuses et elle fait ensuite une apparition dans l'emission Punk'd.
En 2004, Kristen Bell apparait dans le téléfilm Le choix de gracie sur la chaine Lifetime Entertainment dans le rôle principal, qui est un des plus gros records d'audiences de la chaine ait jamais enregistré. Elle enchaine ensuite au cinéma dans le film Spartan de David Mamet dans le rôle de Laura Newton, la fille du président américain aux côtés de Val Kilmer.
C'est à la télévision que Kristen, alors âgée de 24 ans, va obtenir le rôle qui va la révéler au grand public dans la série Veronica Mars. Kristen y joue le rôle principal, une ado de 17 ans, détective privé à ses heures, qui tente de découvrir les secrets dont regorge la ville où elle habite. C'est à la rentrée 2004 que commence la diffusion cette série dont elle tient le rôle titre. Pour ce rôle, Joss Whedon la surnomme la "Harry Potter des séries télé". La série obtient les faveurs des critiques, de même que l'interprétation de Kristen. D'ailleurs, certains critiques déclarent alors qu'elle mérite une nomination aux Emmy Awards. Cependant, en raison de ses audiences jugées trop en-deçà des espérances de la chaine, la série est menacée d'annulation à la fin de chaque saison. Elle est cependant soutenue par des milliers de fans, notamment en envoyant des barres Mars aux dirigeants de la chaine afin de la sauver. La série est finalement arrêtée après trois saisons malgré tous les efforts faits par les fans et les membres de la production.
Parallèlement à la série, le cinéma commence à lui faire les yeux doux. En 2005, elle reprend le rôle qu'elle avait joué à Broadway dans la comédie musicale Reefer Madness. Le 8 septembre 2005, elle assiste à la 57ème cérémonie des Emmy Awards et y chante la chanson Fame. La même année, Kristen et le casting de Veronica Mars sont nommés dans les catégories « Meilleure nouvelle actrice » et « Meilleure nouvelle série » aux Teen Choice Awards. En 2006, Kristen remporte le Saturn Award dans la catégorie « Meilleure actrice de télévision » pour son rôle. Parallèlement à la série, elle joue dans le film Fifty Pills dans le rôle Gracie qui est présenté à l'ouverture du festival du film de Tribeca. Suivent ensuite le film court indépendant Th Receipt, le thriller Roman réalisée par Angela Battis, et le film d'horreur Pulse avec Ian Somerhalder et Christina Milian, le remake américain du film japonais Kairo dans lequel elle joue le rôle de Mattie. Le film remporte 27,9 million de dollars au box-office.
Malgré l'annulation de Veronica Mars, Kristen ne tarde pas à retrouver des rôles. Elle entend parler de la nouvelle série de la CW et décide de s'entretenir avec les dirigeants de la chaine afin d'apparaitre dans la nouvelle série Gossip Girl. Bien qu'elle se juge à ce moment trop vieille pour incarner un personnage d'adolescente à l'écran, elle leur propose de jouer le rôle de la narratrice. Ayant apprécié ses narrations dans Veronica Mars, ils ne tardent pas à lui confier le rôle de la célèbre blogueuse dès la rentrée 2007. La chaine NBC lui propose au même moment d'intégrer le casting de la série Lost, ce qu'elle refuse ne voulant pas déménager à Hawaii où la série est tournée. Elle obtient cependant le rôle de Ella Bishop dans les saisons 2 et 3 de la série fantastique Heroes. Le 29 juillet 2007, lors d'une rencontre avec les acteurs Zachary Quinto et Masi Oka ainsi que plusieurs scénaristes de la série au retour du Comic Con de San Diego, les scénaristes mentionnent qu'ils souhaiteraient qu'elle intègre le casting, ce à quoi elle répond qu'elle en serait ravie. Elle y apparaitra dans les saisons 2 et 3 à partir d'octobre 2007 pour treize épisodes.
Durant l'été 2007, Kristen tourne le film de Judd Appatow Sans Sarah rien ne va à Hawaii aux côtés de
Jason Segel dans le rôle titre. Le film remporte un énorme succès au box office et lui permet enfin d'obtenir de nombreux autres rôles au cinéma. Kristen prête par la suite sa voix au personnage de Cora dans la version originale du film d'animation Astro Boy, puis à Marybelle dans Sheepish et au personnage de Lucy Tillman pour les jeux vidéos Assassin's Creed. En 2008, elle apparait dans le film Fanboys où elle joue une mordue de « Star Wars ». Le 31 mars 2008, elle débute le tournage de la comédie When in Rome de Mark Steven Johnson à New York, dans lequel elle a pour partenaire Josh Duhamel. Le film sortira au cinéma en 2010.
En 2009, elle joue aux côtés de Meg Ryan dans le film Serious Moonlight, ainsi que dans Thérapie de couples avec Vince Vaughn et Jason Bateman qui joue son mari, qui met en scène quatre couples qui partent sur une île paradisiaque afin de régler leurs problèmes. La même année Rob Thomas, le créateur de Veronica Mars lui propose de jouer dans sa nouvelle série Party Down. Elle y jouera dans deux épisodes. En 2010, elle reprend son rôle de Sarah Marshall dans le film American Trip, qui fait suite aux succès de Sans Sarah rien ne va. La même année, elle se retrouve dans un clip de Yeasayer pour la chanson Madder Red, où elle s'éprend d'un monstre, qu'elle a comme animal de compagnie. On la voit fin 2010 dans la comédie You Again aux côtés de Jamie Lee Curtis et Sigourney Weaver, puis dans le film musical Burlesque, où elle joue la rivale de Christina Aguilera aux côtés de la chanteuse Cher.
USA Today annonce le 27 août 2010 que Kristen Bell a rejoint le casting de Scream 4, elle tient un petit rôle aux côtés de Anna Paquin. En octobre 2010, elle est approchée par le producteur Bryan Fuller pour jouer le rôle de Marilyn dans une version moderne de la série des années 60: The Munsters qui serait diffusée sur la chaine américaine NBC qui en a commandé un pilote. Début 2011, sa participation en tant que personnage régulier de la nouvelle série de la chaîne américaine Showtime House Of Lies au côté de Don Cheadle est confirmée. Elle y interprétera une redoutable diplômée de l'Université de Brown qui développe une attirance problématique pour son collègue Marty (Don Cheadle). Le tournage du pilote est prévu dans le courant du mois de février. Cette nouvelle série figure en tête des nouveaux projets de Showtime qui ont le plus de chance d'obtenir une première saison complète. La série est décrite comme une comédie noire, qui suit le quotidien de consultants en finance, prêts à tout pour s'enrichir. Coté cinéma, elle est attendue dans les films Everbody Loves Whales dans le rôle d'une reporter de Los Angeles, aux côtés de Drew Barrymore et John Krasinski et dans le drame Dance of the Mirlitons.
Le 7 avril 2011, la chaîne américaine Showtime commande 12 épisodes de la nouvelle série de Kristen Bell House Of Lies. Elle y interprétera une jeune consultante prête à tout pour réussir. Aucune date de diffusion n'a été annoncé, mais le tournage devrait avoir lieu durant l'été.
Kristen est en couple depuis 2007 avec Dax Shepard. Début 2010, ils annoncent leurs fiançailles.