Née à Rio de Janeiro, Morena Baccarin est la fille de l'actrice brésilienne Vera Setta. A l'âge de 10 ans, elle émigre avec ses parents à New York où elle passe son adolescence avant d'intégrer une école d'art et de musique.
Morena commence sa carrière en 2001 dans Perfume puis Way Off Broadway où elle recevra le prix de la meilleure actrice lors du Wine Country Film Festival. Elle enchaine ensuite à une vitesse folle les productions (Firefly, Still Life, How I met your brother, Las Vegas...) puis elle incarne Adria dans Stargate SG-1 et Stargate L'arche de vérité. Elle continue ensuite en tournant notamment dans Heartland ou Dirt avec Courteney Cox.