Кэри Маллиган родилась в Вестминстере, Лондон, Англия, в семье Стивена Маллигана и Нано Бут. Её отец родом из Ливерпуля, а мать — из Лландейло, Уэльс. В возрасте трёх лет Маллиган вместе с родителями и старшим братом Оуайном переехала из Англии в Германию, где её отец получил работу в крупной гостиничной сети InterContinental Hotels.
С августа 2009 по октябрь 2010 года встречалась с Шайей Лабафом, партнёром по фильму «Уолл-стрит: Деньги не спят».
В августе 2011 года обручилась с музыкантом Маркусом Мамфордом, лидером группы Mumford & Sons. 20 апреля 2012 года они поженились, свадьба состоялась в Сомерсете, Англия. У супругов есть дочь — Эвелин Грэйс Мамфорд (род. в сентябре 2015).
Дебютом в кинематографе стала роль Китти Беннет в фильме «Гордость и предубеждение». С 2006 года Маллиган активно работает на телевидении, а в 2007 году дебютировала на Бродвее.