Aktris Vera Setta ve gazeteci Fernando Baccarin çiftinin çocuğu olarak Rio de Janeiro'da doğan Baccarin, 7 yaşında babasının Globo TV'deki görevi nedeniyle ailesiyle birlikte New York'a taşındı. Burada Fiorello H. LaGuardia Lisesi'nde ve Juillard School'da drama eğitimi aldı. 2001 yapımı Perfume filmindeki rolüyle sinemaya adım attı. Firefly dizisindeki Inara Serra ve Stargate SG-1'deki Adria rolleriyle televizyon izleyicisinin sevdiği oyuncular arasına girdi. Sonrasında V ve Homeland dizilerindeki rolleriyle bilinirliğini artıran Baccarin, 2015'te başlayan Gotham dizisinde Leslie Thompkins rolüyle yer aldı. Sinemadaki büyük çıkışını ise 2016 yapımı Deadpool filmindeki Vanessa Carlysle rolünden sonra oldu. 2018'de çekilen Deadpool 2'de de aynı karakteri canlandırdı.
2011'de yönetmen Austin Chick'le evlenen Baccarin, 2013'te Julius adlı bir erkek çocuk sahibi oldu. 2015'te çift yollarını ayırdı ve Chick boşanmak için mahkemeye başvurdu, evlilikleri resmen bitmeden önce Gotham dizisinden rol arkadaşı aktör Ben McKenzie ile birlikte olmaya başlayan Baccarin, 2016'da McKenzie'den Frances Laiz Setta Schenkkan adlı bir kız çocuğu dünyaya getirdi. Kısa bir süre sonra resmen boşandılar, 2017'de de McKenzie ile evlendi.