Kyra Sedgwick est née à New-York en 1965 d'une mère professeur de diction, thérapeute familiale et d'un père capital-risqueur. Elle a un jeune frère, acteur lui aussi Robert Sedgwick et un demi-frère, guitariste de jazz, Mike Stern. Elle est diplômée de l'Université de Californie du Sud (University of Southern California USC). En 1982, elle suit des cours de théâtre. Depuis 2005 et jusqu'à ce jour, elle tient le rôle du chef adjoint Brenda Leigh Johnson dans la série américaine, The Closer, son plus grand rôle à la télévision. Kyra Sedgwick a reçu son étoile sur le Hollywood Walk of Fame, à côté de celle de son mari, en juin 2009. Elle a été nominée cinq fois aux Emmy Awards et au Golden Globe pour son rôle du chef de police memorable dans The Closer. Elle a gagné un Satellite Award en 2005 et en 2006, un Golden Globe en 2007, un People's Choice Award en 2009, et un Emmy Award en 2010, tous ces prix pour le seul rôle qu'elle interprète dans The Closer. Elle a également été nominée une fois comme meilleure actrice dans un second rôle pour Amour et mensonges (Something To Talk About), dans le personnage d'Emma Rae King, ainsi que pour le prix de la meilleure actrice principale dans la mini-série Miss Rose White.

Kyra Sedgwick est la cousine germaine d'Edie Sedgwick, une des actrices et muses d'Andy Warhol au milieu des années 60.