Cristin Milioti nació el 16 de agosto de 1985 en Cherry Hill, Nueva Jersey, EE. UU. Asistió al Cherry Hill High School East, donde se graduó en 2003. En la escuela secundaria, descubrió su amor por la actuación. Estudió en Long Lake Camp for the Arts en Nueva York. Participó en el comercial de Ford Edge en el 2008 interpretando a Sara, la chica cautivada por los rascacielos de Manhattan. Ha trabajado principalmente en obras teatrales de Broadway. En 2010 protagonizó That Face y recibió una nominación al premio Lucille Lortel como Mejor actriz principal por su trabajo en Stunning.

Obtuvo una nominación al Premio Tony en 2012 por su actuación, en el musical de Broadway Once en donde tuvo que aprender a tocar el piano para interpretar su papel. También tuvo que aprenderr a tocar el bajo para su participación en How I Met Your Mother (2005-2014). Participó en la serie A to Z donde interpreta a la protagonista Zelda Vasco. También participó en el primer capítulo USS Callister de la temporada 4 de  Black Mirror interpretando el papel de Nannette.