D'origine ukrainienne, Vera Farmiga grandit aux États-Unis, mais n'apprend l'anglais qu'à l'âge de six ans.
Étudiante en art dramatique, elle ne tarde pas à jouer de petits rôles au théâtre comme sur les plateaux de tournage. À 24 ans, elle joue avec Heath Ledger, une des héroïnes de la série Roar, la légende de Conor. La série durera trois ans (de 1997 à 2000) mais ne donnera pas suite à de nouvelles aventures.
Puis, elle commence également à jouer dans les films. Grâce au long métrage Loin du paradis réalisé par Joseph Ruben en 1998 dans lequel elle joue aux côtés de Vince Vaughn et Anne Heche, elle a pu décrocher d'autres rôles et ainsi jouer aux côtés de Robert De Niro dans 15 minutes ou encore de Steve Buscemi dans Love in the time of money.
En 2004, elle obtient le prix spécial du jury du Festival de Sundance, le Los Angeles Film Critics Award de la « Meilleure actrice » et une citation à lIndependent Spirit Award pour le film de Debra Granik, Down to the Bone, où elle incarne une mère de famille cocaïnomane.
Puis, on la retrouve dans Un crime dans la tête de Jonathan Demme, et dans Les Infiltrés de Martin Scorsese.
En 2008, elle apparaît dans le clip Yes We Can.
En 2009, Vera joue dans le film thriller Esther, en 2010 dans In the Air et en 2011 dans Source Code. C'est également en 2011 que Vera Farmiga, réalisatrice du film Higher Ground, lance sa sœur (Taissa Farmiga) en lui proposant un rôle dans ce film.
À partir de 2013, elle est au générique de la série Bates Motel sur la chaine câblée A&E Network. L'histoire raconte la vie de Norman Bates (interprété par Freddie Highmore) et sa mère (Farmiga) avant les évènements du film Psychose d'Alfred Hitchcock. Elle est également productrice de la série à partir de la saison 2.
Elle joue également dans Conjuring : Les Dossiers Warren ou elle interprète Lorraine Warren, médium et épouse de Ed Warren