In ihren drei Monaten in New York geht die Friday Night Lights-Darstellerin jeden Abend ins Theater und erkennt, dass es das ist, was sie tun will. Anstatt es also weiter als Model zu versuchen, zieht sie nach Los Angeles, geht auf Vorsprechen und arbeitet bei Togo's als Sandwichmacherin.
Adrianne Palicki hat einen älteren Bruder, der Comicbücher schreibt und starken Einfluss auf Palickis eigenes Interesse hat, sie besonders im Hinblick auf Comics prägt. Während ihrer Schulzeit interessiert sie sich eher für Sport als für das Schauspielen. Sie spielt Basketball und ist in einem Leichtathletik-Team. Erst im Abschlussjahr entdeckt sie ihre Leidenschaft für das Schauspielen, als sie in einem Theaterstück ihrer Schule auftritt.
Nach dem Abschluss zieht Palicki nach New York um an Model- und Talentwettbewerben teilzunehmen. Drei Monate später entscheidet sie sich für das Schauspielen und zieht direkt nach Los Angeles. Sie landet 2003 zunächst ein paar Rollen in Kurzfilmen, bevor ihr ein Jahr später mit einer der Hauptrollen in John Woos Piloten zu „Lost in Space“ (2004) ein kleiner Durchbruch gelingt. Auch wenn die Serie nicht produziert wird, kann die Jungschauspielerin in den folgenden Monaten einige Gastauftritte in verschiedenen Serien ergattern, unter anderem in Smallville, Quintuplets, CSI: Crime Scene Investigation (alle 2004) und in North Shore (2005).
Ihre ersten Rollen auf der Leinwand übernimmt Adrienne Palicki in der Familienkomödie „Popstar“ (2005) und in dem Thriller „Seven Mummies“ (2006). Im Jahr 2005 ist sie das erste Mal als Sam Winchesters Freundin Jessica Moore in einer wiederkehrenden Rolle in der beliebten Mystery-Serie Supernatural mit von der Partie und kurz darauf hat sie eine reguläre Rolle in der kurzlebigen Drama-Serie South Beach (2006).
Anschließend landet Adrianne Palicki ihren großen Durchbruch mit der Rolle der Tyra Collette in der erfolgreichen NBC-Serie Friday Night Lights (2006). Bis 2009 verkörpert sie die couragierte Highschool-Schülerin, deren offensichtliche Verachtung für Football für Spannungen zwischen ihr und ihrem Freund (Taylor Kitsch) sorgt. Palicki entwickelt sich in der Serie zu einer exzellenten Schauspielerin und nutzt ihren neu gewonnen Bekanntheitsgrad so gleich in Hollywood aus. Sie ist in der Frauenkomödie „Women in Trouble“ (2009) neben Carla Gugino und Kollegin Connie Britton zu sehen und auch in dem darauf folgenden Film „Elektra Luxx“ (2010) mit von der Partie.
Des weiteren wird sie in dem gescheiterten Smallville-Spinoff Aquaman (2007) als die böse Sirene besetzt, hat eine Gastrolle in CSI: Miami (2009) und lieh verschiedenen Figuren in Robot Chicken (seit 2007) und der Clara in Titan Maximum (2009) ihre Stimme. Auf der Leinwand erscheint Palicki in dem Blockbuster „Legion“ (2010) an der Seite von Paul Bettany und Dennis Quaid. Eine weitere Hauptrolle in einer Serie zieht sie in dem Drama Lone Star (2010) an Land, das aber bereits nach fünf Episoden abgesetzt wird.
2011 erscheint Adrianne Palicki in einer Episode der Krimiserie Criminal Minds und kehrt im Serienfinale von „Friday Night Lights“ ans Spielfeld zurück. Auf der Leinwand ist sie in dem Actionfilm „Red Dawn“ (2011) präsent und soll als Wonder Woman auf dem kleinen Bildschirm überzeugen, doch die Serie wird nicht bestellt.
Nach einer Gastrolle in der Serienadaption From Dusk Till Dawn und einer wiederkehrenden Rolle in About a Boy ergattert Adrianne Palicki die Rolle von Bobbi Morse in Marvel's Agents of S.H.I.E.L.D. und wird bald darauf zur Hauptdarstellerin befördert. 2016 steigt sie trotz großer Fanproteste aus der Serie aus.
Doch die Darstellerin hat sich bereits anders verpflichtet und zwar für den Hauptcast der Serie The Orville.
Wie im Herbst 2009 bekannt wurde, war Adrianne Palicki mit Alan Tudyk liiert. Im September 2014 gibt sie die Verlobung zu dem Stuntman Jackson Spidell bekannt, den sie am Set von „John Wick“ kennen gelernt hatte. 2015 löst sie die Verlobung jedoch auf. Adrianne Palicki ist seit dem 19. Mai 2019 mit dem Schauspieler Scott Grimes verheiratet. Die Scheidung ist aber bereits eingereicht.