Pike is enig kind. Haar ouders, Caroline en Julian Pike, waren beiden actief in musicals. Pike studeerde af aan de Badminton School in Bristol. Vervolgens studeerde ze Engelse literatuur in Oxford. Ze raakte bevriend met Chelsea Clinton. Na een jaar succesvol studeren stopte ze hiermee, om deze uiteindelijk alsnog af te ronden in 2001.
Pike was regelmatig te zien in filmproducties van studenten. Ze speelde ook in een aantal toneelstukken van Shakespeare. Toen ze speelde in een productie van Romeo en Juliet, zag een agent haar acteertalent en hij hielp haar op weg naar een succesvolle acteercarrière. In 2002 werd ze in één klap bekend vanwege haar rol van MI6-agent Miranda Frost in de James Bond-film Die Another Day met Pierce Brosnan. Tot dan toe had ze slechts een aantal rolletjes in series van de Britse televisie gehad, waaronder in A Rather English Marriage, Wives and Daughters, Love in a Cold Climate en Foyle's War.
In 2004 speelde Pike de rol van Elizabeth Malet in The Libertine, een film met Johnny Depp. Pike won een British Independent Film-award voor Beste Vrouwelijke Bijrol. In datzelfde jaar speelde ze ook in Promised Land, een film over Israël, en de filmversie van het computerspel Doom. Naast die films was ze ook te zien als de zus van Elizabeth (gespeeld door Keira Knightley) in de film Pride & Prejudice.
In 2007 speelde Pike in de filmversie van de roman Fugitive Pieces. Daarnaast is ze bezig met het inspreken van haar stem voor de animatiefilm Jackboots on Whitehall. Deze film zal gaan over de invasie van de nazi's in Groot-Brittannië, en een parodie zijn op alle oorlogsfilms.
Pike heeft ook nog steeds rollen in toneelstukken. Ze speelde in Hitchcock Blonde van Terry Johnson en in Summer and Smoke van Tennessee Williams. Beide rollen speelde ze in Londen.
Pike speelt cello en spreekt vloeiend Duits en Frans. Ze woont in West End in Londen en was verloofd met regisseur Joe Wright, in wiens film Pride and Prejudice ze speelde. Pike kende Wright sinds de universiteit. Hun bruiloft werd echter op het laatste moment afgeblazen.
