Родилась в Нью-Лондоне, штат Коннектикут. Её мать была судьёй, а отец адвокатом. Она выросла в Гластонбери, Коннектикут, где начала выступать в местном театре. Она окончила Гарвардский университет, в 1987 году.

Бреннеман дебютировала в 1992 году в одном из эпизодов сериала «Она написала убийство». Спустя год она добилась национального признания за созданный ею образ детектива Дженис Ликасли в телесериале «Полиция Нью-Йорка». Она снялась в первом сезоне, а также в нескольких эпизодах второго и получила номинации на премию «Эмми» в категории «За лучшую женскую роль второго плана в драматическом телесериале» в 1994, и в категории «Лучшая приглашённая актриса в драматическом телесериале» в 1995 году соответственно.

После ухода из «Полиции Нью-Йорка» в 1994 году, Бреннеман начала карьеру в полнометражном кино. В 1995 году она появилась в фильмах «Каспер» и «Схватка», а год спустя сыграла главную женскую роль в фильме «Дневной свет» с Сильвестром Сталлоне. Она также снялась в фильмах «Страх», «Невада», «Твои друзья и соседи», «Предместья» и «Женские тайны». Она вернулась на телевидение в качестве приглашённой звезды в четырёх эпизодах комедийного сериала «Фрейзер» в 1998 году.

В 1999 году Бреннеман выступила как создатель, продюсер и исполнительница главной роли в сериале «Справедливая Эми». Шоу рассказывало о разведённой матери-одиночке, которая работает судьёй по семейным делам в Хартфорде, штат Коннектикут. Шоу было основано на реальной жизни её матери, Фредерики Бреннеман. Сериал выходил на CBS в течение шести сезонов: с 19 сентября 1999 года по 3 мая 2005 года, стабильно собирая высокие рейтинги, а Бреннеман получила три номинации на «Золотой глобус» за лучшую женскую роль в телевизионном сериале — драма, а также три номинации на Премию «Эмми» за лучшую женскую роль в драматическом телесериале.

Бреннеман выиграла премию «Кинофестиваля в Локарно» в категории «Лучшая актриса» за роль в фильме «Девять жизней» 2005 года. Позже она снялась в фильмах «Жизнь по Джейн Остин» (2007) и «88 минут» (2008). В марте 2007 года она снялась в сериале «Анатомия страсти», а после исполнила одну из главных ролей в его спин-оффе «Частная практика». Сериал завершился в начале 2013 года, после шести сезонов. В июне 2013 года, Бреннеман была приглашена на главную женскую роль в сериал канала HBO «Оставленные» c Джастином Теру.

В 1995 году Бреннеман вышла замуж за режиссёра Брэда Силберлинга, у них двое детей: дочь Шарлотта Такер Силберлинг и сын Боди Расселл Силберлинг.