Nata a Scottsdale in Arizona da Jeff e Krista Stone, ha un fratello minore di nome Spencer. Membro del Valley Youth Theatre, teatro regionale di Phoenix, appare all’età di 11 anni nel musical The Wind in the Willows e successivamente in A Winnie-the-Pooh Christmas Tail, La principessa sul pisello, Cenerentola, The Wiz, Titanic, Honk!, La sirenetta, Schoolhouse Rock Live!, Alice nel Paese delle Meraviglie e in Joseph and the Amazing Technicolor Dreamcoat.
All’eta di 15 anni si trasferisce con la madre a Los Angeles, in California. Nel 2004 comincia la sua carriera televisiva apparendo in numerose serie televisive: The New Partridge Family, Medium, Zack e Cody al Grand Hotel, Malcolm, Lucky Louie, Drive. Il suo film d’esordio è del 2007, la commedia Suxbad – Tre menti sopra il pelo. Raggiunge la notorietà nel 2008 con i film The Rocker – Il batterista nudo e La coniglietta di casa con Anna Faris.
Nel 2010, la Stone presta la voce al personaggio Mazie in Sansone, e ottiene la parte della protagonista nella commedia Easy Girl, che le vale una nomination per il Golden Globe come migliore attrice in una commedia e una vittoria agli MTV Movie Awards 2011 nella categoria miglior performance comica.
Nel 2011 interpreta il ruolo di Skeeter Phelan come protagonista nel film The Help, per cui riceve grandi elogi da parte della critica e del pubblico. Lo stesso anno ha recitato nel film Crazy, Stupid, Love, accanto a Ryan Gosling, Steve Carell e Julianne Moore.
Nel 2012 veste i panni di Gwen Stacy nel reboot di Spider-Man dal titolo The Amazing Spider-Man e nuovamente nel seguito del 2014 The Amazing Spider-Man 2 – Il potere di Electro. L’anno dopo presta la sua voce nel film Dreamworks I Croods nel quale recita accanto a Nicolas Cage. Il film si rivela un ottimo successo commerciale, incassando ben 500 milioni di dollari, ricevendo la nomination agli Oscar 2014 come miglior film d’animazione. Sempre nel 2013 recita nel film drammatico/azione Gangster Squad, diretta da Ruben Fleisher.
Nel 2014 esordisce a Broadway nel musical Cabaret, insieme con Alan Cumming e prende parte al pluripremiato Birdman, dove veste i panni di Sam Thomson, figlia del protagonista, ruolo che le vale la sua prima nomination all’Oscar come migliore attrice non protagonista. Sempre nel 2014 recita accanto a Colin Firth nel film Magic in the Moonlight diretta dal regista Woody Allen, con il quale collaborerà anche, affiancando Joaquin Phoenix, nel film Irrational Man (2015). Nel 2015 viene diretta dal regista Cameron Crowe nel film Sotto il cielo delle Hawaii, dividendo le scene con Bradley Cooper e Bill Murray.
Nel 2016 recita per la terza volta al fianco di Ryan Gosling, nel film musical La La Land, diretto da Damien Chazelle, per il quale vince la Coppa Volpi per la migliore interpretazione femminile alla 73ª Mostra internazionale d’arte cinematografica di Venezia, il Golden Globe nella sezione migliore attrice in un film commedia o musicale, lo Screen Actors Guild Award nella categoria migliore attrice cinematografica, il BAFTA alla migliore attrice protagonista e il premio Oscar alla miglior attrice protagonista. Dopo il successo di La La Land, il 7 dicembre 2016, assieme al collega Ryan Gosling, lascia le impronte delle mani e dei piedi al TCL Chinese Theatre.
