Amy Frederica Brenneman nasce a New London il 22 giugno 1964. Famosa per aver recitato nelle serie televisive NYPD Blue e Giudice Amy, è cresciuta a Glastonbury, nel Connecticut, si è laureata nel 1987 all'Università di Harvard in religioni comparate. Durante il college, studiò anche presso la compagnia del Cornerstone Theater Company, con la quale girò varie cittadine, con rappresentazioni di grandi classici. Viaggiò per cinque anni e poi si stabilì a Brooklyn, dove divenne insegnante. Il suo esordio è con il personaggio della poliziotta Janice Licalsi nella serie televisiva NYPD Blue del 1993-1994 (partecipa alla prima stagione e ai primi episodi della seconda della serie; per la quale ha ricevuto una nomination all'Emmy).
Nel 1999 Brenneman produce (insieme a Barbara Hall, Joseph Stern e Connie Tavel) la serie televisiva Giudice Amy, nella quale è attrice protagonista e ideatrice del soggetto. Nella serie Brenneman interpreta la figura di un giudice per la Corte dei Minori di Hartford, Connecticut, madre e single divorziata. La serie è ispirata alle esperienze personali di sua madre, Frederica Brenneman, in qualità di giudice della Corte Suprema dello stato del Connecticut (è stata una delle prima donne a laurearsi alla Harvard Law School, Facoltà di Legge ad Harvard, diventando un giudice del tribunale minorile nel Connecticut, quando Amy aveva 3 anni). Le storie narrate nella serie si basano su episodi veri della vita della madre della Brenneman, storie ricche di umanità e di sentimento, in quanto i casi processuali trattati tutti i giorni nell'aula del tribunale per i minori del giudice Amy Gray hanno per protagonisti gli adolescenti. Non per nulla quindi, Giudice Amy è stato trasmesso sul canale CBS per sei stagioni con ottimi risultati di ascolto. Amy ha detto: "Interpreto il lavoro di mia madre, non mia madre".
Nel 1995 sposa il regista Brad Silberling. La coppia fa parte della compagnia di teatro "the Cornerstone Theater Company Inc" a Los Angeles. Silberling e la Brenneman hanno due bambini, Charlotte Tucker (nata il 20 marzo 2001) e Bodhi Russell (nato il 5 giugno 2005). Il 13 marzo del 2007 Brenneman è stata presa nel cast del possibile seguito di Grey's Anatomy. Ma sarà anche protagonista del prime time televisivo con Private Practice nel ruolo della dottoressa Violet Turner, psichiatra dell'Oceanside Wellness Center. L'attrice nominata per ben 5 volte agli Emmy dice a proposito del suo ruolo che "è difficile gestire la maternità con un lavoro a tempo pieno" (ha avuto Charlotte alla fine del secondo anno de Il giudice Amy. Rispetto al nuovo ruolo di Violet la Brenneman dice che in comune con il personaggio ha solo qualcosa "Violet è ossessionata, è stata piantata in asso da un mese e non riesce a superarlo. Penso che lei ed Amy siano molto diverse. Violet è eccentrica e si vedrà sempre di più durante gli episodi, però è "autocosciente". Brenneman ha interpretato anche celebri film come Casper, Heat-La sfida (con Robert De Niro e Al Pacino), 9 vite da donna, La legge della violenza nel Bronx, Amici & vicini, Il club di Jane Austen e più recentemente 88 minutes.
