Carla Gugino kommt in Florida als Tochter einer irisch-britischen Mutter und eines italienischen Kieferorthopäden zur Welt. Nach der Scheidung ihrer Eltern zwei Jahre später zieht ihre Mutter mit ihr nach Kalifornien in die Kleinstadt Paradise um. Da sie immer eine ausgezeichnete Schülerin ist, darf Carla Gugino die Abschlussrede halten. Zunächst wird die hübsche Schülerin im Alter von 15 Jahren als Model entdeckt und zum Arbeiten nach New York geschickt. Doch Carla Gugino besucht auf Anraten ihrer Tante, die ebenfalls Schauspielerin ist, eine Schauspielklasse in Los Angeles.
Zunächst spielt Carla Gugino kleinere Gastrollen im Fernsehen, bis sie eine Rolle im Kinofilm "Die Wilde von Beverly Hills" ergattert. In der Serie "Falcon Crest" tritt die Schauspielerin in elf Folgen auf. Neben Sarah Jessica Parker ist Carla Gugino im "Miami Rhapsody" zu sehen. Im Drama "Jung, weiblich, gnadenlos" stellt sie ein von zwei Frauen geschändetes Vergewaltigungsopfer dar. Ihre erste Filmpreisnominierung für den "Blockbuster Entertainment Award" bringt der Schauspielerin ihre Rolle neben Nicolas Cage in "Spiel auf Zeit" ein.
Oft arbeitet Carla Gugino mit dem Regisseur Robert Rodriquez zusammen. In "Spy Kids", "Spy Kids 2 - Die Rückkehr der Superspione" sowie dem dritten Teil "Mission 3-D" spielt sie die Ehefrau ‚Ingrid' von ‚Gregorio Cortez', dargestellt von Antonio Banderas. In "Sin City" mimt Carla Gugino die Bewährungshelferin ‚Lucille'. Auch in Filmen von Zack Snyder taucht die Schauspielerin öfters auf: In "Watchmen" sowie "Sucker Punch" übernimmt sie je eine Rolle. Für ihre schauspielerischen Leistungen in "American Gangster" kann sich Carla Gugino über eine "Screen Actors Guild Award"-Nominierung freuen. Carla Gugino ist mit dem venezolanischen Filmemacher Sebastian Gutierrez verheiratet, mit dem sie ebenfalls oft zusammenarbeitet.