Aktör Russ Tamblyn'in ve şarkıcı Bonnie Murray'nin kızıdır. Santa Monica'da dünyaya geldi. Dedesi Eddie Tamblyn (1908– 1957) de 1930'ların ünlü bir oyuncusuydu. İlk olarak 10 yaşında okul tiyatrosunda oynadığı "Pippi Uzunçorap" rolü ile gösteri dünyasına adım attı. Babasının oynadığı Rebellious gibi filmlerle ve General Hospital dizisindeki Emily Quartermaine karakteriyle ün kazandı. Emily rolünü tam 6 sezon sürdürdü.
2003'te başlayıp 2 sezon sürmüş Joan of Arcadia dizisinde oynadığı Joan karakteriyle daha da fazla ün kazanmıştır. Bu tolüyle Altın Küre'ye aday gösterilmiş ve o zaman için aday gösterilen en genç 2. isim olmuştur. The Sisterhood of the Travelling Pants serisinde Alexis Bledel ile birlikte başrollerden birini oynamıştır. 2010 yılında Danny Boyle'un 127 Saat filminde rol almıştır. 2010'da, yani 7. sezonunda House dizisine tıp öğrencisi Martha M. Masters rolüyle katıldı. Aynı zamanda finalde de yer aldı. 2013'te Two and a Half Men dizisine Jenny rolüyle katıldı ve 2 sezon burada yer aldı.
2008 yılından beri aktör ve komedyen David Cross'la birlikte olan Tamblyn, 2012'de Cross'la evlendi. 2017'de Marlow Alice Cross adında bir kız çocuğu dünyaya getirdi.
Aynı zamanda bir şair olan Tamblyn, küçük yaşlarından itibaren şiir yazmayı sürdürmektedir. Free Stallion, Bang Ditto ve Dark Sparkler adların 3 şiir kitabı çıkmıştır.
