Кейли Куоко родилась в штате Калифорния. Кейли имеет итальянское происхождение от отца, а таке британское и немецкое от матери.
С 3-х до 16 лет Кейли серьезно занималась теннисом.
Впервые Кейли Куоко снялась в рекламе детских игрушек, когда ей было 8 месяцев.
В 6 лет Кейли снялась в рекламе, посвящённой куклам Барби, а позже начала участвовать и в театральных постановках.
В подростковом возрасте она ходила с друзьями в студию актёрского мастерства. В 2002 году ей предложили одну из главных ролей в сериале «8 простых правил для друга моей дочери-подростка».
В 2005 году Кейли получила роль в последнем сезоне «Зачарованных».
В 2007 году начала сниматься в сериале «Теория Большого взрыва».
Также снялась в одном из эпизодов сериала «Побег».
В 2010 году, во время верховой езды она упала с лошади и сломала ногу. В больнице хирург сказал, что даже возможна ампутация ноги. К счастью, всё обошлось. Поэтому в сериале она играла роль бармена., пряча сломанную ногу.
В 2014 году стала обладательницей звезды на голливудской «Алее славы».
С 2016 года занимает второе место в Forbes, как «Самые высокооплачиваемые актрисы телевидения».
Озвучила роль в мультсериале Харли Квинн, выступив также продюсером.
В 2020 году снялась в минисериале «Бортпроводница», в котором исполнила главную роль.
Получила номинации и награды ряда телепремий за роли в сериалах «8 простых правил» и «Теория Большого взрыва». Также лауреат антипремии «Золотая малина», 2016 года за роль второго плана в фильме «Шафер напрокат».
Кейли Куоко встречалась с Джонни Галэки (Леонардо) своим партнёром по сериалу «Теория Большого взрыва» около двух лет.
В 2013—2016 годах Кейли была замужем за теннисистом.
В 2016 году после расставания она начала встречаться с сыном миллиардера. Они обручились в 2017 года, в день 32-летия Куоко.
А летом 2018 года они сыграли свадьбу.