Cristin Milioti wurde am 16. August 1985 in Cherry Hill, New Jersey, geboren. Nach ihrem High School-Abschluss im Jahr 2003 nahm sie Schauspielunterricht an der New York University. Sie war in einigen Werbespots zu sehen und hatte diverse Gastauftritte in TV-Serien, wie "30 Rock", "The Good Wife" und "Nurse Jackie".
Größere Erfolge konnte sie allerdings beim Theater verbuchen: nach diversen Off-Broadway-Rollen gelang ihr 2012 der große Durchbruch mit einer Hauptrolle am Broadway im Musical "Once", einer Adaption des gleichnamigen Films von 2006. "Once" erhielt den Tony Award für das beste Musical, Milioti selbst erhielt eine Nominierung in der Kategorie "Beste Hauptdarstellerin".
Im Frühjahr 2013 erhielt sie die Rolle der Mutter in "How I Met Your Mother". Nach einem kurzen Auftritt im Finale der 8. Staffel wurde sie für die 9. und letzte Staffel der Serie zur Hauptdarstellerin befördert.