Joanna Kulig naît dans une famille d’artistes et entreprend des études d’art dramatique et de musique. Elle est diplômée de l’École nationale supérieure de théâtre Ludwik Solski et du Conservatoire de Cracovie.
Pawel Pawlikowski lui confie son premier rôle à l’écran dans la production franco-britanico-polonaise La Femme du Vème (2011), aux côtés d’Ethan Hawke et Kristin Scott Thomas. Le cinéaste lui propose ensuite un rôle de chanteuse dans Ida (2013).
Jamais deux dans trois : Joanna Kulig interprète ensuite le personnage principal de Cold War, en 2018, qui lui permet de remporter le prix du cinéma européen de la meilleure actrice.
Joanna Kulig a tourné avec d’autres cinéastes dont Anne Fontaine, qui lui a donné le rôle d’une religieuse dans Les Innocentes (2015).
