Kimberly Alexis Bledel nació el 16 de septiembre de 1981 en Houston, Texas, EE. UU.

Su padre nació y se crió en Argentina y su madre nació en Phoenix, Arizona pero se mudó a México a la edad de ocho años, donde se crió, por lo que Bledel creció en un hogar de habla hispana y no aprendió inglés hasta que comenzó la escuela; ella se considera a si misma como latina.

Los padres de Bledel la animaron a probar teatro comunitario en Houston cuando tenía 8 años, con la esperanza de que ayudaría a su hija a superar su timidez. Comenzó su carrera de modelo mientras todavía estaba en la escuela secundaria, viajando a lugares como Tokio, Milán, Nueva York y Los Ángeles. Después de graduarse, se matriculó en NYU para estudiar la carrera de cine.

Alexis hizo su debut televisivo en la exitosa serie Las chicas Gilmore, donde interpretó a Rory Gilmore, a lo largo de siete temporadas.

Dos años después, da el salto a la gran pantalla con el drama romántico El manantial, iniciando su carrera en cine, en 2005, encarna a la prostituta Becky en la cinta de Robert Rodriguez, Ciudad del pecado, y a Lena en la comedia Un verano en pantalones, un papel que retoma tres años después en la secuela de la cinta.

En 2010, se pone a las órdenes de Robert Redford en El conspirador, un filme que narra la conspiración que se tramó para asesinar a Abraham Lincoln. Seis años después regresa a los reflectores luego de que Netflix anunció una nueva temporada de Las chicas Gilmore, con Bledel repitiendo su personaje.

En 2017, apareció en The Handmaid's Tale. Su actuación aclamada por la crítica en el papel le valió a Bledel su primera nominación al Emmy.

En 2012, Bledel comenzó a salir con su coprotagonista de Mad Men, Vincent Kartheiser, con quién contrajo nupcias en California, en junio de 2014 y un años después tuvieron a su primer hijo.