Felicity Huffman fait ses débuts de comédienne en 1978, à l'âge de 16 ans dans le téléfilm A home run for love, puis se consacre à ses études. Elle entre alors à la Tisch School of the Arts de New York où elle décroche un diplôme. Puis elle décide de faire une pause. Elle revient à la télévision en 1988 dans la série Lip Service, réalisée par l'acteur William H. Macy, qui deviendra par la suite son mari. La même année, elle tourne dans son premier film, Parrain d'un jour, de David Mamet.
En 1991, elle joue sous la direction de Barbet Schroeder dans Le Mystère von Bülow. Ses rôles suivants sont surtout dans des séries télévisées et des téléfilms.
Elle revient au cinéma en 1997 dans La Prisonnière espagnole de David Mamet. Deux ans plus tard, elle joue aux côtés de son mari dans le film de Paul Thomas Anderson, Magnolia.
Souvent habituée à des productions d'art et essais, elle décroche en 2004 le rôle de Lynette Scavo, une des Desperate Housewives. Cette série qui rencontre un succès mondial la propulse au rang de star.
En 2005, elle décroche le rôle principal dans Transamerica, ce qui lui vaut le Golden Globe de la Meilleure Comédienne Dramatique et une nomination aux Oscars en tant que meilleure actrice. Une double première pour une comédienne à la fois méconnue du grand public quelques mois auparavant et à la carrière essentiellement tournée vers la télévision.
Elle est mariée à l'acteur William H. Macy, qui fut son professeur de théâtre, avec lequel elle a eu deux filles (Sophia et Georgia Grace).