白灵于1961年10月10日出生在四川省成都市，她的家庭充满了艺术氛围。父亲白玉祥曾是一名中国人民解放军退伍的音乐教师，母亲陈彬彬早年从事舞蹈表演工作，后来转而成为四川大学的文学教师。在这样的环境中成长，白灵自幼便展现出对表演的浓厚兴趣。文化大革命期间，她就读于当地小学，并积极参与学校组织的样板戏演出，凭借出色的记忆力，年纪尚小的她就能熟练背诵八大样板戏的主要唱段。此外，她还跟随宣传队参加了多场公开演出，积累了最初的舞台经验。白灵在童年时期还学习了琵琶演奏，这项才艺后来在她主演的一部古装影片以及一部美国电影中得到了展现，片中弹奏琵琶的段落均由她本人亲自完成。初中毕业后，她前往成都郊县的双流地区插队劳动。1978年高中毕业之际，白灵选择加入西藏野战部队文工团，开始了她的军旅文艺生涯。在西藏林芝地区宣传队服役期间，她不仅参与演出工作，还曾担任过护士职务。恰逢峨嵋电影制片厂在当地拍摄一部影片，经人引荐，白灵在片中饰演了一个仅有几句台词的小角色，这次经历成为她首次接触电影拍摄的契机。两三年后，白灵从部队复员回到成都，并被分配至四川省人民艺术剧院工作，从此正式开启了她的专业表演道路。白灵早期写真记录了她艺术生涯起步阶段的面貌。
在四川省人民艺术剧院工作期间，她迎来了自己职业生涯的首个重要舞台角色，于话剧《月琴与小老虎》中女扮男装，饰演一位年轻小伙。这部话剧在四川当地演出后反响热烈，获得了相当大的成功。到了1984年，该剧赴北京进行汇报演出，正是在这次演出中，白灵的表演才华被电影导演滕文骥所发掘，随后她受邀主演了影片《海滩》。自此，她的电影之路正式开启，接连主演了由西安电影制片厂拍摄的《月月》、《大学生轶事》以及《泪洒姑苏》等多部作品。1985年后，白灵决定离开成都，前往北京寻求更广阔的事业发展空间。1986年，她在电影《月月》中担纲主演，而能够有幸出演这部日后成为其代表作品之一的影片，得益于副导演霍庄当年的赏识与举荐。拍摄结束后，霍庄与白灵建立起深厚的友谊，成为一对“忘年交”。1988年，她出演了《弧光》，在片中挑战饰演一名女精神病患者。次年，该片入选第16届莫斯科国际电影节竞赛单元并参与展映，获得了不错的评价。1989年，她在影片《非法持枪者》中饰演女主角汽车司机。当时剧组为让她适应角色安排了驾驶培训，但因拍摄时间紧张，过程较为仓促，在一次拍摄中白灵驾车险些与一辆大卡车相撞，场面一度十分惊险。 1990年，白灵接受纽约大学电影系的邀请，以访问学者身份赴美学习，期间还获得了Lee Strasberg’s Theater Institute的奖学金。此后她留在美国，并开始进军好莱坞寻求发展。1993年，她在美国参与拍摄的首部电影是《乌鸦》，并与李小龙之子合作演出。后来她加入了美国国籍。1999年，她在影片《安娜与国王》中饰演了重要配角。2001年，白灵在美国版本的《齐天大圣》中出演了观音一角。2004年，她凭借在《三更之饺子》中的精湛表演，接连荣获台湾金马奖、香港金紫荆奖及香港电影金像奖三项最佳女配角大奖，成就备受瞩目。2008年，她参演了新片《怒火攻心2：高压电》。2009年，她参与了Joseph J. Lawson导演的《霍比特人传奇》的拍摄，并担任女主角。2010年，白灵登上《花花公子》杂志六月号封面，成为首位获此殊荣的华人女星。2014年，她参与了美国犯罪片《认我为王》以及电影《杀戮》的拍摄。同年，她与胡军、蒲巴甲等演员合作的影片《上海王》也宣布制作完成，并定于2015年在中国大陆上映。2019年12月15日，由她主演的电影《堕胎师》在中国香港定档上映。2024年6月18日，她参演的电影《李佩西与五大王国的守护者》在美国正式上映。2025年5月15日，她参与配音的Netflix动画作品《爱，死亡和机器人 第四季》在全球平台上线上映。
在二十世纪八十年代初期，白灵的父母结束了婚姻关系。此后，她的母亲与作家徐迟组建了新的家庭，徐迟曾撰写过关于中国杰出数学家陈景润的报告文学作品《歌德巴赫猜想》。白灵的姐姐白洁任职于税务部门，从事稳定的公务员工作；她的弟弟白陈则远赴日本，在一家美国背景的企业中发展自己的职业生涯。至于白灵本人，她一直保持着未婚状态。在个人感情方面，她曾与多位知名人士传出绯闻，其中包括才华横溢的作曲家瞿小松、享有国际声誉的摄影师杜可风，以及来自流行音乐组合“后街男孩”的成员尼克。这些传闻为她个人的生活经历增添了不少公众关注的色彩。
二零零七年十月三十日，第三届好莱坞中国电影节于美国洛杉矶的派拉蒙剧院正式拉开帷幕，演员白灵受邀出席并踏上红毯，参与了相关的开幕酒会活动。次年，即二零零八年冬季，在洛杉矶一场由《Flaunt》杂志主办的十周年纪念派对暨年度假日玩具公益活动中，白灵不畏严寒亲临现场，为帮助贫困儿童贡献了自己的一份力量。时间来到二零一九年七月二十四日，由二零零六年世界扑克系列赛冠军、同时也致力于慈善事业的扑克名人杰米·戈尔德所主持的第九届年度《Variety》慈善扑克与赌场之夜活动顺利举行，白灵亦积极参与其中，通过该活动为“Variety南加州儿童慈善机构”筹集善款，以支持其对儿童群体的各项援助工作。
年轻时的白灵生着一副挺翘的鼻子，虽非世俗眼光中的标准美人，却自有一种清纯干净的气质，令人印象深刻。（导演杜民评价）她本质上是个朴实无华的姑娘，性格尤为文静，身上透着未经雕琢的纯真。她酷爱阅读，并且能写出极为漂亮的文章。白灵还非常孝顺，当年我们都住在北京电影学院，她住6号楼，我住7号楼，她特意将外婆从山西接到北京与自己同住，悉心照料。她时常在家为外婆和我亲手做面条，那份质朴与善良，让人觉得她确实是个很好的女孩。（导演章家瑞评价）白灵一旦认定了某个角色，便会全身心地投入其中，她对艺术怀有深切的热爱与不懈的执着。她并不在意周遭的议论纷纷，即便面对诸多不解，也似乎不以为苦。然而，或许正因为艺术追求上的境界过高，她的内心实则萦绕着一种孤独感，一种“高处不胜寒”的寂寥，这种心境唯有真正投身艺术创作的人方能理解。（导演霍庄评价）若以中国传统伦理的标准来衡量，如今的白灵无疑可被归入叛逆者的行列。（导演熊郁评价）她的戏演得相当出色，对角色的领悟能力很强，工作态度十分认真。她为人比较单纯，很容易相处，在整个合作拍摄的过程中，从未提出过任何不合情理的要求。（导演张西河评价）白灵