Cristin Milioti, 16 Ağustos 1985'te doğdu ve Cherry Hill, New Jersey'de büyüdü. İtalyan kökenli olan Milioti Ortaokulda, Long Lake Camp for the Arts'ta oyunculuk sevgisini keşfetti. 2003 yılında Cherry Hill High School East'ten mezun oldu ve okul oyunlarında sahne almaya başladı. New York Üniversitesi'nde oyunculuk dersleri aldı, ancak ikinci yılında mutsuz olduğunu ifade ederek okulu bıraktı. Milioti'nin ilk oyunculuk performansları, reklam filmlerindeki küçük roller ile geldi. The Sopranos gibi televizyon dizilerinde ve Greetings from the Shore (2007) gibi filmlerde de boy göstermekle birlikte bu yıllarda daha çok tiyatroya ağırlık verdi. 2007'de Broadway'de Helen Edmundson'ın Coram Boy uyarlamasında Alice Ashbrook olarak sahne aldı. 2010'da That Face adlı oyunda başrolde oynadı ve Stunning adlı sahne prodüksiyonundaki performansıyla Lucille Lortel Ödülü'ne aday gösterildi. 2012 yılında, Once müzikalinde Girl karakterini canlandırdığı için En İyi Kadın Oyuncu dalında Tony Ödülü'ne aday gösterildi. Bu performansı ile Best Musical Theater Album kategorisinde 2013 Grammy Ödülü'nü kazandı. Daha geniş kitlelerce tanınması ise 2013'te döneminin efsane dizileri arasında yer alan How I Met Your Mother'da canlandırdığı Tracy McConnell, yani meşhur ‘the Mother’ rolü ile geldi. Her ne kadar dizinin fanları başka bir “anne” beklemiş olsalar da Milioti dizinin 8. sezonunda ilk kez seyirci karşısına çıktı ve dokuzuncu ve son sezonunda ana kadroda yer aldı. Yine 2013’te Martin Scorsese'nin The Wolf of Wall Street filminde Jordan Belfort'un ilk eşi Teresa Petrillo'yu canlandırdı. 2015 yılında FX dizisi Fargo'nun ikinci sezonunda Betsy Solverson rolüyle beğeni topladı. 2020 yılında, Sundance Film Festivali'nde prömiyeri yapılan Palm Springs adlı bilim kurgu/komedi filminde Sarah Wilder rolüyle bu sefer uluslararası camiada da ciddi bir tanınırlık kazandı. 2021 yılında, HBO Max'in Made for Love adlı kara komedi dizisinde, teknoloji milyarderi kocasından kaçan Hazel Green karakterini canlandırdı. Son işlerinden biri olarak da kara komedi türündeki dizi The Resort'ta (2022) Emma karakterine hayat verdi.