Cuoco nasceu em Camarillo, Califórnia, é a filha mais velha de Layne Ann, uma dona de casa, e Gary Carmine Cuoco, um corretor de imóveis.1 Ela é de meia ascendência italiana.Quando criança, Cuoco foi tenista amadora, ela começou a praticar quando tinha três anos de idade e parou de jogar em 2002, aos 16.
Em setembro de 2007, recebeu um papel de protagonista na sitcom da CBS The Big Bang Theory. Ela interpreta Penny, uma aspirante a atriz e empregada no Cheesecake Factory, vizinha de dois nerds cientistas, Sheldon Cooper e Leonard Hofstadter. Antes da temporada de 2010-2011, ela ganhou 60 mil dólares de um episódio da série, o mesmo que seus colegas de elenco. Em 2010, cada ator passou a ganhar US $ 200.000 por episódio.
